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

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

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

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

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

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

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

Weitere Termine der Reihe sind:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 27. März 2024.

27. März 2024 – Neue Beobachtungen der Event Horizon Telescope-Kollaboration zeigen, dass das Schwarze Loch Sagittarius A* (Sgr A*) im Zentrum der Milchstraße im polarisierten Licht von starken, spiralförmigen Magnetfeldern umgeben ist. Die Magnetfeldstruktur wird wahrscheinlich durch das magnetisierte Plasma erzeugt, das auf Sgr A* fällt, und ähnelt der von M87. Dieses Ergebnis legt nahe, dass alle Schwarzen Löcher starke Magnetfelder besitzen und dass Sgr A*, wie M87*, einen Teilchenstrahl ausstößt, der bislang nicht sichtbar gemacht werden konnte. An der Auswertung und Interpretation der Messdaten war das Team um Prof. Luciano Rezzolla, Goethe-Universität Frankfurt, maßgeblich beteiligt.

Das erste Bild vom Schwarzen Loch Sgr A*, welches etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, wurde im Jahr 2022 von Event Horizon Telescope (EHT)-Wissenschaftlerinnen veröffentlicht. Dabei zeigte sich zwar, dass das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße mehr als tausendmal kleiner und weniger massereich ist als das der Galaxie M87, von dem die EHT-Kollaboration 2019 das erste Bild eines Schwarzen Lochs veröffentlicht hatte. Dennoch sehen sich Sgr A* und M87* bemerkenswert ähnlich. Um herauszufinden, ob die beiden Schwarzen Löcher weitere gemeinsamen Merkmale besitzen, beschloss das EHT-Team, Sgr A* in polarisiertem Licht zu untersuchen. Von M87* war bereits bekannt, dass die Magnetfelder um das riesige Schwarze Loch es ihm ermöglichen, einen starken Teilchenstrahl (Jet) in den Weltraum zu schicken. Die neuen Bilder zeigen, dass dasselbe auch für Sgr A* gelten könnte.

Schwarze Löcher in polarisiertem Licht abzubilden, ist nicht einfach, insbesondere gilt dies für Sgr A*. Denn das Gas, oder Plasma, in der Umgebung des Schwarzen Lochs umkreist Sgr A* in nur wenigen Minuten, und weil die Teilchen des Plasmas um die Magnetfeldlinien herumwirbeln, ändern sich die Magnetfeldstrukturen während der Aufzeichnung der Radiowellen durch das EHT schnell. Um das supermassive schwarze Loch abzubilden, waren also ausgeklügelte Instrumente und Verfahren erforderlich.

Prof. Luciano Rezzolla, theoretischer Astrophysiker an der Goethe-Universität Frankfurt, erläutert: „Polarisierte Radiowellen werden von magnetischen Feldern beeinflusst, und durch die Untersuchung des Polarisationsgrades des beobachteten Lichts können wir lernen, wie die Magnetfelder des Schwarzen Lochs verteilt sind. Allerdings ist es im Gegensatz zu einem Standardbild, das nur Informationen über die Intensität des Lichts benötigt, wesentlich schwieriger, die Polarisation darzustellen. Tatsächlich ist unser polarisiertes Bild von Sgr A* das Ergebnis eines sorgfältigen Vergleichs zwischen den tatsächlichen Messungen und den Hunderttausenden möglicher Bildvarianten, die wir mithilfe fortgeschrittener Supercomputer-Simulationen erstellen können. Ähnlich wie beim ersten Bild von Sgr A* repräsentieren diese polarisierten Bilder eine Art Durchschnitt aller Messungen.“

Rezzollas Kollaborationspartner, Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taiwan, sagt: „Die Erstellung eines polarisierten Bildes ist wie das Öffnen des Buches, nachdem man nur den Umschlag gesehen hat. Da sich Sgr A* bewegt, während wir versuchen, sein Bild aufzunehmen, war es schwierig, selbst das unpolarisierte Bild zu konstruieren“, und fügt hinzu, dass das erste Bild ein Durchschnitt mehrerer Bilder aufgrund der Bewegung von Sgr A* war. „Wir waren erleichtert, dass die polarisierte Bildgebung überhaupt möglich war. Einige Modelle waren viel zu verwirbelt, um ein polarisiertes Bild zu konstruieren, aber die Natur hat es gut mit uns gemeint.“

„Indem wir polarisiertes Licht von heißem glühendem Gas in der Nähe von Schwarzen Löchern abbilden, schließen wir direkt auf die Struktur und Stärke der Magnetfelder, die den Fluss von Gas und Materie durchdringen, von dem das Schwarze Loch sich ernährt und abgibt“, ergänzt Angelo Ricarte, Harvard Black Hole Initiative Fellow und Co-Projektleiter. „Polarisiertes Licht lehrt uns viel über die Astrophysik, die Eigenschaften des Gases und die Mechanismen, die stattfinden, wenn ein Schwarzes Loch sich ernährt.“

Dr. Sara Issaoun, Co-Leiterin des Projekts und NASA Hubble Fellowship Program Einstein Fellow am Center for Astrophysics / Harvard & Smithsonian, sagt: „Dass Sgr A* eine auffallend ähnliche Polarisationsstruktur aufweist wie das viel größere Schwarze Loch M87* zeigt, dass starke und geordnete Magnetfelder entscheidend dafür sind, wie Schwarze Löcher mit dem Gas und der Materie um sie herum wechselwirken.“

Mariafelicia De Laurentis, stellvertretende EHT-Projektwissenschaftlerin und Professorin an der Universität Neapel Federico II, Italien, betont, dass die Magnetfeldstruktur von M87* von Sgr A* so ähnlich seien, deute darauf hin, dass die physikalischen Prozesse, die bestimmen, wie ein Schwarzes Loch einen Jet speist und ausstößt, trotz der Unterschiede in Masse, Größe und Umgebung bei supermassereichen Schwarzen Löchern universell sein könnten. Dieses Ergebnis ermögliche es, die theoretischen Modelle und Simulationen zu verfeinern und unser Verständnis dafür zu verbessern, wie die Materie in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs beeinflusst werde.

Weiterführe Informationen zur EHT-Kollaboration:
Das EHT hat seit 2017 mehrere Messkampagnen gemacht und wird Sgr A* voraussichtlich im April 2024 erneut beobachten. Jedes Jahr wurden die Bilder besser, da das EHT neue Teleskope, größere Bandbreiten und neue Beobachtungsfrequenzen einsetzt. Die für das nächste Jahrzehnt geplanten Erweiterungen werden hochauflösende Filme von Sgr A* ermöglichen, möglicherweise einen verborgenen Jet aufdecken und es den Astronom*innen und Astrophysiker*innen erlauben, ähnliche Polarisationsmerkmale in anderen Schwarzen Löchern zu beobachten. Außerdem wird die Erweiterung des EHT in den Weltraum immer schärfere Bilder von Schwarzen Löchern liefern.

An der EHT-Kollaboration sind mehr als 300 Forscherinnen und Forscher aus Afrika, Asien, Europa sowie Nord- und Südamerika beteiligt. Die internationale Kollaboration arbeitet daran, die detailliertesten Bilder von Schwarzen Löchern zu erhalten, die je gemacht wurden, indem sie ein virtuelles Teleskop von der Größe der Erde entwickelt. Unterstützt durch beträchtliche internationale Investitionen verknüpft das EHT bestehende Teleskope mit neuartigen Systemen und schafft so ein grundlegend neues Instrument mit dem höchsten bisher erreichten Winkelauflösungsvermögen.

An den ersten Beobachtungen der EHT im April 2017 waren die folgenden Teleskope beteiligt: das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), das Institut de Radioastronomie Millimetrique (IRAM) 30-Meter-Teleskop, das James Clerk Maxwell Teleskop (JCMT), das Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), das Submillimeter Array (SMA), das UArizona ARO Submillimeter Telescope (SMT), das South Pole Telescope (SPT). Seit 2017 sind das Greenland Telescope (GLT), das IRAM NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) und das 12-Meter-Teleskop der UArizona auf dem Kitt Peak in zum EHT-Netzwerk dazugekommen.

Das EHT-Konsortium besteht aus 13 beteiligten Instituten: dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, der University of Arizona, der University of Chicago, dem East Asian Observatory, der Goethe-Universität Frankfurt, dem Institut de Radioastronomie Millimétrique, dem Large Millimeter Telescope, dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie, dem MIT Haystack Observatory, dem National Astronomical Observatory of Japan, dem Perimeter Institute for Theoretical Physics, der Radboud University und dem Smithsonian Astrophysical Observatory.

Originalpublikation:
(1) EHT collaboration: First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VII. Polarization of the Ring. Astrophysical Journal Letters (2024) https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad2df0
(2) EHT collaboration: First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VIII. Physical Interpretation of the Polarized Ring. Astrophysical Journal Letters (2024) https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad2df1

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• Event Horizon Telescope „EHT“

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 15. Februar 2024.

15. Februar 2024 – Würde es Gravasterne tatsächlich geben, sähen sie für einen weit entfernten Beobachter ähnlich aus wie Schwarze Löcher. Zwei theoretische Physiker der Goethe-Universität Frankfurt haben jetzt eine neue Lösung der Allgemeinen Relativitätstheorie Albert Einsteins gefunden, derzufolge Gravasterne aufgebaut sein könnten wie eine russische Matrjoschka-Puppe: Im Inneren eines Gravasterns befände sich sein weiterer Gravastern.

Das Innere Schwarzer Löcher ist für die Wissenschaft eine harte Nuss: Der deutsche Physiker Karl Schwarzschild fand 1916 eine Lösung für die Gleichungen Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, derzufolge sich im Zentrum eines schwarzen Lochs eine sogenannte Singularität befindet, ein Punkt, an dem Raum und Zeit nicht mehr existieren. Alle physikalischen Gesetze, also auch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, habe dort keine Gültigkeit mehr, das Prinzip der Kausalität ist aufgehoben. Das ist ein großes Ärgernis für die Wissenschaft, denn jenseits des sogenannten Ereignishorizonts können keine Informationen aus einem Schwarzen Loch nach außen dringen. Wohl auch aus diesem Grund fand Schwarzschilds Lösung lange Zeit außerhalb der Theorie keine größere Beachtung, bis 1971 der erste Kandidat für ein Schwarzes Loch entdeckt, in den 2000er-Jahren das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße nachgewiesen und schließlich 2019 das erste Bild eines Schwarzen Lochs durch die Event Horizon Telescope Collaboration veröffentlicht wurde.

2001 schlugen die beiden Wissenschaftler Pawel Mazur und Emil Mottola eine andere Lösung für Einsteins Feldgleichungen vor, die zu Objekten führten, die sie Gravasterne nannten. Im Gegensatz zu Schwarzen Löchern haben Gravasterne aus Sicht der theoretischen Astrophysik mehrere Vorteile: Einerseits sind sie nahezu so kompakt wie Schwarze Löcher und besitzen ebenso wie diese an ihrer Oberfläche eine Gravitationskraft, die praktisch so stark ist wie die eines Schwarzen Lochs, sodass ihr nicht einmal Licht entkommen kann. Allerdings haben sie keine Grenze, innerhalb der keine Art von Information nach außen dringen kann, den so genannten Ereignishorizont, und in ihrem Inneren gibt es keine Singularität. Vielmehr besitzen Gravasterne einen Kern aus exotischer – dunkler – Energie, die den Gegendruck zur ungeheuren Gravitationskraft hält, die den Stern zusammenpresst. Die Oberfläche von Gravasternen bildet eine hauchdünne Haut aus gewöhnlicher Materie, deren Dicke gegen Null geht.

Die beiden theoretischen Physiker Daniel Jampolski und Prof. Luciano Rezzolla haben jetzt eine Lösung der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie vorgestellt, die einen Gravastern im Innern eines weiteren Gravasterns beschreibt. Diesem – hypothetischen – Himmelsobjekt haben sie den Namen „Nestar“ gegeben (von englisch nested = verschachtelt).

Daniel Jampolski, der die Lösung in seiner durch Prof. Luciano Rezzolla betreuten Bachelorarbeit fand, meint: „Der Nestar ist wie eine russische Matrjoschka, und unsere Lösung der Feldgleichungen lässt auch eine ganze Reihe von ineinander geschachtelten Gravasternen zu.“ Während der Gravastern nach Mazur und Mottola eine nahezu unendlich dünne Haut aus normaler Materie habe, hat der Nestar eine etwas dickere Materiehülle: „Man kann sich etwas leichter vorstellen, dass es so etwas geben könnte.“

Luciano Rezzolla, Professor für theoretische Astrophysik an der Goethe-Universität, erläutert: „Es ist toll, dass es auch 100 Jahre nach Schwarzschilds erster Lösung der Einstein’schen Feldgleichungen aus der allgemeinen Relativitätstheorie noch möglich ist, neue Lösungen zu finden. Das ist ein bisschen so, wie wenn man in einer vermeintlich erschöpften Mine auf eine Goldader stößt. Leider haben wir noch keine Vorstellung davon, wie solch ein Gravastern entstehen könnte. Doch selbst wenn Nestare nicht existieren sollten, hilft uns die Erforschung der mathematischen Eigenschaften dieser Lösungen letztlich dabei, Schwarze Löcher besser zu verstehen.“

Publikation:
Daniel Jampolski, Luciano Rezzolla: Nested solutions of gravitational condensate stars. Classical Quantum Gravity (2023) https://doi.org/10.1088/1361-6382/ad2317
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/ad2317

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 1. November 2023 – mit freundlicher Genehmigung.

1. November 2023 – Die Anträge vereinen die Kompetenzen und zukunftsweisenden Ideen der Goethe-Universität mit denen der Kolleg:innen des Verbunds der Rhein-Main-Universitäten (RMU) und weiterer Partner der vier großen Organisationen der außeruniversitären Forschung. Der seit 2019 bestehende Exzellenzcluster Cardiopulmonary Institute (CPI) wird im kommenden Jahr direkt einen Vollantrag einreichen.

Wie Wissenschaftskommunikation über ein Mitmachobjekt funktionieren kann
Wer bei einer gemeinsamen Aufzugfahrt eine Wissenschaftlerin oder einen Wissenschaftler des Clusterprojekts ELEMENTS fragt, woran die 100 ELEMENTS-Forschenden denn so arbeiten, bekommt wahrscheinlich als Antwort: „Wir wollen wissen, wo Gold herkommt.“ Das ist womöglich beim ersten Hören etwas missverständlich, denn es geht – anders als bei einem der historischen Goldrausche – nicht darum, Gold zu finden, sondern vielmehr zu verstehen, wie es entsteht. Das passiert wahrscheinlich bei großen Sternen-Crashs, sogenannten Kilonovae. Solche Crashs im Weltraum kann man von der Erde aus berechnen, beobachten und vermessen, und bestimmte Aspekte lassen sich – im Miniaturformat – auf der Erde in Teilchenbeschleunigern nachstellen. Die Physik dahinter ist sehr komplex, es geht um das Innenleben von Atomkernen und um extrem verdichtete Sterne, die Neutronensterne. Und es geht nicht nur um Gold, sondern um alle schweren Elemente, also auch um Blei, Silber, Platin und Uran zum Beispiel.

Herausforderndes Spezialthema
Auf Laien mag dies gleichermaßen faszinierend wie auch abschreckend wirken, kennen doch viele Physik nur aus der Schule und vielleicht aus Fernsehdokumentationen im Spätprogramm, in die man zufällig hineingezappt hat. „Die meisten Menschen haben schon einmal etwas von Atomen und Elementen gehört, und der ein oder andere mag sich an den Merkspruch zu den Planeten in unserem Sonnensystem ‚Mein Vater erklärt mir jeden Samstag unseren Nachthimmel‘ erinnern“, sagt Phyllis Mania, die seit Anfang 2022 für die Wissenschaftskommunikation des Clusterprojekts verantwortlich ist. „Aber mit Neutronensternen oder Zerfallsketten können nur wenige etwas anfangen.“ Darin liege die Herausforderung in der Wissenschaftskommunikation von ELEMENTS, meint Mania, denn selbst studierte Physikerinnen und Physiker würden bei einigen Spezialthemen nicht mehr mitkommen. „Für die Kommunikation ist das eine Herausforderung, aber auch eine große Chance, denn der Spieß lässt sich auch umdrehen: Da die Leute nicht das Gefühl haben, schon etwas wissen zu müssen, gehen sie oft sehr offen und neugierig an unsere Themen heran.“

Um einen Weg zu finden, mit den Menschen ins Gespräch zu kommen, haben Mania und der ELEMENTS-Sprecher Luciano Rezzolla ein Ausstellungsstück zum Anfassen entwickelt, das Modell eines Neutronensterns. Der Stern hat einen halben Meter Durchmesser und ist angeschnitten, damit man die inneren Schichten erkennen kann, und die Schichten lassen sich auch einzeln abnehmen. Im Weltall ist ein solcher Neutronenstern ein ungeheuer dichtes Objekt, in dem die Massen einer bis zwei Sonnen in einer Kugel mit dem Durchmesser etwa von Frankfurt am Main zusammengepresst sind. Ein Würfelzucker dieser Materie wöge auf der Erde so viel wie der ganze Mount Everest, und wenn zwei dieser Neutronensterne zusammenprallen, wird so viel Energie frei, dass sich schwere Elemente wie eben Gold bilden können.

Begreifbare Physik
Erstmals wurde das Neutronenstern-Modell auf der Frankfurter „Night of Science“ 2023 einer breiten Öffentlichkeit gezeigt, und mit der Frage „Haben Sie schon einmal einen Neutronenstern berührt?“ ließen sich Passanten – zum Beispiel ein Vater mit seinem kleinen Sohn, zwei Oberstufenschüler, eine Gruppe Studentinnen oder ein Rentnerehepaar – anlocken und ermuntern, Fragen zu stellen. „Als Hands-on-Objekt schafft es unser Neutronenstern, die sehr abstrakte Physik, die dahintersteckt, im Wortsinne begreifbar zu machen“, weiß Rezzolla. „Unser Neutronenstern ist ‚Hingucker‘ und Gesprächsanlass, und immer wieder entwickeln sich sehr spannende Gespräche – in denen wir, besonders von Kindern, manchmal Fragen gestellt bekommen, die uns Fachfrau oder Fachmann richtig fordern.“

Inzwischen hat der Neutronenstern weitere „Auftritte“ absolviert und war beim Tag der offenen Tür am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt zu sehen, wurde in Hofheim in die Roadshow „Universe on Tour“ des Bundesforschungsministeriums integriert und bereicherte die Mitmachausstellung des Wissenschaftsfestivals „Highlights der Physik“ in Kiel. Begleitet wurde der Stern von Mania und – nach ­Möglichkeit – von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Clusters.

Mit dem Neutronenstern hat ELEMENTS noch viel vor: Eine erste Online-Version, bislang nur auf Deutsch und Englisch, ist schon auf der Cluster-Website zu sehen. „Live“ soll der Neutronenstern künftig auch in Schulen zu Besuch sein, vornehmlich an Orten, die keine Universität in der Nähe haben. „Wir haben dabei besonders die Nachwuchsförderung im Blick“, erklärt Rezzolla. „Unser Ziel: Wir möchten junge Menschen – besonders Mädchen – mit unserer Begeisterung für Physik anstecken und vielleicht den einen oder anderen später zu einem Studium der Physik oder der Naturwissenschaften motivieren.“

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 6. Oktober 2023.

6. Oktober 2023 – Am 24. September 2023 ist die Materialprobe eines der ursprünglichsten Objekte unseres Sonnensystems auf der Erde eingetroffen: Eine NASA-Raumsonde hat im Vorbeiflug eine Kapsel mit über 200 Gramm Staub des Asteroiden Bennu abgeworfen, den sie drei Jahre zuvor besucht hatte. Das Material wird im neuen Schwiete Cosmochemisty Laboratory der Goethe-Universität untersucht werden, das heute eingeweiht wurde. Kernstück des Labors ist ein hochmodernes Transmissionselektronenmikroskop (TEM), das die chemische und strukturelle Analyse winziger Materialproben erlaubt. Die Investition tragen die Dr. Rolf M. Schwiete Stiftung, die Deutsche Forschungsgemeinschaft und das Land Hessen.

Aus dem Staub, der unsere junge Sonne umkreiste, entstanden im Laufe der Zeit nicht nur die Planeten, sondern auch Millionen Materiebrocken. Rund 800.000 von ihnen kreisen heute im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter um die Sonne, ein Teil, die so genannten NEAs (Near Earth Asteroids) kommen gar der Erde immer wieder recht nahe. Viele Asteroiden haben sich seit ihrer Entstehung kaum verändert und stellen damit eine Art geologisches Archiv des Sonnensystems dar.

Aus diesem Grund schickte die amerikanische Weltraumbehörde NASA 2016 die Raumsonde OSIRIS-REx zu dem erdnahen Asteroiden Bennu, einem nur 500 Meter großen Himmelskörper, der zu den ursprünglichsten Objekten unseres Sonnensystems zählt. 2020 entnahm OSIRIS-REx mit einer Art Staubsauger rund 220 Gramm Material von Bennus Oberfläche und kehrte damit zur Erde zurück. Im Vorbeiflug warf die Sonde am 24. September eine Kapsel mit dem Asteroidenstaub ab. Wenige Gramm des kostbaren Materials werden Mitte Oktober an der Goethe-Universität erwartet. Hier wird der Staub in dem heute eingeweihten Schwiete Cosmochemisty Laboratory untersucht werden. Das Labor an der Goethe-Universität ist eines von nur vier TEM-Laboren und das einzige außerhalb der USA, die mit dieser Art der Analyse des Materials betraut wurden. Zusätzlich nutzt das Team rund um Prof. Brenker noch die Synchrotronstrahler ESRF in Grenoble und DESY in Hamburg für ihre hoch spezialisierten Untersuchungen.

Der Nano-Geowissenschaftler Prof. Frank Brenker von der Goethe-Universität erklärt: „Material von Asteroiden untersuchen zu dürfen, ist etwas ganz Besonderes. Denn anders als bei Meteoriten, die auf der Erde einschlagen, hat Asteroidenmaterial keinen Kontakt zur Erdatmosphäre gehabt, und wir können es in dem Zustand untersuchen, wie es draußen im Weltall vorliegt. Wir werden in der Materialprobe von Bennu unter anderem die Menge und die Verteilung sogenannter Seltenerdmetalle bestimmen, was wichtige Rückschlüsse auf die Entwicklung unseres Sonnensystems und der Erde zulassen wird.“

Dazu können die Wissenschaftler:innen jetzt ein Hightech-Mikroskop im neuen Schwiete Cosmochemisty Laboratory an der Goethe-Universität nutzen, ein sogenanntes Hochleistungs-Transmissionselektronenmikroskop. Der Stiftungsvorstand der Dr. Rolf M. Schwiete Stiftung, Dr. Jürgen Staiger, sagte auf der Einweihungsfeier: „Prof. Brenker hat an der Goethe-Universität Verfahren zur Untersuchung sensibler Proben etabliert, die nur wenige Wissenschaftsteams weltweit beherrschen. Wir freuen uns daher, dass wir bei der Anschaffung des Transmissionselektronenmikroskops maßgeblich unterstützen und auf diese Weise Spitzenforschung in der Geo- und Kosmochemie fördern konnten. Wir sind jetzt sehr gespannt darauf, was die Forschungsergebnisse uns über die Entstehung unseres Planeten verraten werden.“

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• OSIRIS-REx / OSIRIS-APEX auf Atlas V 411

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 6. Juni 2023.

Frankfurt, 6. Juni 2023. Nach drei Jahren Pause steht der Frankfurter Riedberg wieder ganz im Zeichen der Night of Science: Studierende der Goethe-Universität haben für Schüler:innen, Studierende und interessierte Bürger:innen ein fulminantes Programm von Vorträgen, Führungen und Mitmachexperimenten organisiert.

In mehr als 70 Vorträgen wird es unter dem Schwerpunktthema Klimawandel etwa um vergessene Treibhausgase, die Rolle des Bodens und Klimakatastrophen in der Erdgeschichte gehen. Doch auch die „Dirty Tricks“ der Viren, Lichter und Farben in der Biochemie und das „Gottesteilchen“ Higgs-Boson stehen auf dem Programm sowie organische Solarzellen, die Ursachen von Altruismus und warum Antibiotikaresistenzen womöglich die nächste globale Herausforderung an die Gesundheit ist. In Führungen und Ausstellungen können Besucherinnen und Besucher beispielweise den Arzneimittelgarten erkunden, eine Tour durch die Chemielabore machen oder den Neutronenstern zum Anfassen begutachten.

Studieninteressierte können sich aus erster Hand von Hochschullehrer*innen und Studierenden berichten lassen, was sie in den einzelnen naturwissenschaftlichen Studiengängen erwartet. Abgerundet wird das Event auf dem Riedberg durch ein breitgefächertes Angebot an Speisen und Getränken. Der Eintritt ist frei.

Termin:
Freitag, 16. Juni 2023
17 bis 6 Uhr

Veranstaltungsorte:
Goethe-Universität, Campus Riedberg
Otto-Stern-Zentrum, Ruth-Moufang-Str. 2
Geozentrum, Altenhöferallee 1
Physik/Biozentrum/Biologicum, Max-von-Laue-Str. 1 bis 13
60438 Frankfurt am Main

Programm und Informationen zur Anreise mit dem ÖPNV:
https://nightofscience.de/

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 6. Dezember 2022.

6. Dezember 2022 – Den Materiezustand kurz nach dem Urknall, das sogenannte Quark-Gluon-Plasma, erforscht das ALICE-Experiment am Teilchenbeschleunigerzentrum CERN in Genf, wo Blei-Ionen miteinander kollidieren und für winzige Sekundenbruchteile ein solches Quark-Gluon-Plasma entstehen lassen. Jetzt wurden am CERN für das ALICE-Experiment in einem Testlauf erstmals Kollisionsenergien von 5,36 Teraelektronenvolt pro Blei-Blei-Kollision erzeugt, die weltweit höchste bislang erreichte Kollisionsenergie. Forschende um Harald Appelshäuser von der Goethe-Universität haben den zentralen ALICE-Detektor auf die nun höheren Kollisionsraten vorbereitet und hoffen auf neue Erkenntnisse über die Entstehung des Universums.

Wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall lag die gesamte Materie des Universums in einer Art „Elementarteilchen-Suppe“ als so genanntes Quark-Gluon-Plasma vor. Solch ein Quark-Gluon-Plasma lässt sich in Teilchenbeschleunigern für extrem kurze Zeit erzeugen, wenn man schwere Ionen kollidieren lässt. Daher sind die Kollisionen von Blei-Ionen von zentraler Bedeutung für das ALICE Experiment am Beschleunigerzentrum CERN, das die Eigenschaften von Materie, wie sie kurz nach dem Urknall vorgelegen hat, untersuchen möchte.

Während einer vierjährigen Umbauphase von 2018 bis 2022 wurde der weltweit stärkste Teilchenbeschleuniger, der Large Hadron Collider am CERN, nochmals verbessert und kann jetzt deutlich mehr Bleiionen beschleunigen als zuvor. Auch der ALICE Detektor wurde in dieser Zeit ertüchtigt, um die höheren Kollisionsraten, die der LHC in Zukunft liefern wird, aufzeichnen zu können. Hierzu war es notwendig, die Auslesedetektoren des zentralen Detektors des Experiments, der sogenannten Spurendriftkammer TPC (engl. Time Projection Chamber) komplett auszutauschen. Die Projektleitung dieses bislang zehnjährigen Unterfangens liegt bei Prof. Harald Appelshäuser vom Institut für Kernphysik der Goethe-Universität Frankfurt. Die neue TPC soll es unter anderem ermöglichen, die Temperatur des Quark-Gluon-Plasmas zu bestimmen, das während der Blei-Blei-Kollision entsteht.

Mit den jetzt am CERN durchgeführten Tests mit Blei-Ionen können die ALICE-Forscherinnen und Forscher überprüfen, ob die Auslese und Signalverarbeitung wie erwartet funktionieren. Eine große Herausforderung sind dabei die enormen Datenmengen, die während der Messungen anfallen und allein für die TPC im Bereich von mehreren Terabyte pro Sekunde liegen. Dieser Datenstrom muss in Echtzeit mit effektiven Mustererkennungsmethoden prozessiert werden, um die gespeicherte Menge der Daten ausreichend reduzieren zu können.

Eigens hierzu wurde das Rechencluster EPN (Event Processing Nodes) für das Experiment aufgebaut. Das EPN-Cluster basiert sowohl auf konventionellen Prozessoren (CPUs) als auch auf speziellen Grafikprozessoren. Die Leitung dieses Projekts liegt bei Prof. Volker Lindenstruth, Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) und Institut für Informatik der Goethe-Universität.

Die ersten Messungen bei der neuen Energie sind ein großer Erfolg für das Schwerionenprogramm am CERN. Prof. Harald Appelshäuser sagt: “Wir können es kaum erwarten, dass es nun wirklich losgeht mit den Messungen.”

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 1. November 2022.

Frankfurt, 1. November 2022 – Wenn einem massereichen Stern der Brennstoff ausgeht und dieser als Supernova explodiert, kann ein extrem kompaktes Objekt, ein sogenannter Neutronenstern, zurückbleiben. Neutronensterne sind außerordentlich dicht: Um die Dichte in einem Neutronenstern zu erreichen, müsste man unsere Sonne auf den Durchmesser einer Stadt wie Frankfurt zusammendrücken. Im Jahr 2017 konnten erstmals die kleinen Krümmungen in der Raumzeit – sogenannte Gravitationswellen, die bei der Kollision solch kompakter Sterne entstehen – auf der Erde gemessen werden.

Die Zusammensetzung des heißen und dichten Produkts dieser Kollisionen ist jedoch noch nicht genau bekannt. Es wird vermutet, dass etwa Quarks, die sonst in Neutronen gefangen sind, nach der Kollision in freier Form auftreten können. Ein Forschungsteam um Dr. Christian Ecker vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt und Dr. Matti Järvinen und Dr. Tuna Demircik vom Asia Pacific Center für Theoretische Physik in Pohang, Südkorea, hat nun ein neues Modell entwickelt, um der Antwort auf diese Frage einen Schritt näher zu kommen. Darin erweitern sie Modelle aus der Kernphysik, die bei hohen Dichten ihre Aussagekraft verlieren, mit einer Methode aus der Stringtheorie, die den Übergang zu dichter und heißer Quarkmaterie beschreiben kann. “In unserer Methode verwenden wir einen mathematischen Zusammenhang aus der Stringtheorie, nämlich die Korrespondenz zwischen fünfdimensionalen schwarzen Löchern und stark wechselwirkender Materie, um den Phasenübergang zwischen dichter Kern- und Quarkmaterie zu beschreiben”, erklären Dr. Demircik und Dr. Järvinen.

”Wir haben das neue Modell bereits in Computersimulationen verwendet, um damit das Gravitationswellensignal dieser Kollisionen zu berechnen und gezeigt, dass dabei sowohl heiße also auch kalte Quarkmaterie entstehen kann”, erläutert Dr. Ecker, der diese Simulationen in Zusammenarbeit mit den Doktoranden Samuel Tootle und Konrad Topolski aus dem Arbeitskreis von Prof. Luciano Rezzolla an der Goethe-Universität Frankfurt umgesetzt hat.

Als nächstes hoffen die Forscher*innen ihre Simulationen mit zukünftig gemessen Gravitationswellen aus dem Weltall vergleichen zu können, um somit weitere Erkenntnisse über Quarkmaterie in Neutronensternkollisionen zu gewinnen.

Publikation:
Dense and Hot QCD at Strong Coupling, Tuna Demircik, Christian Ecker, and Matti Järvinen, Phys. Rev. X 12, 041012 – Published 31 October 2022, https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.041012, pdf: https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.12.041012.

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 10. Oktober 2022.

10. Oktober 2022 – Seit 2008 bildet ein Rahmenvertrag die Grundlage der engen wissenschaftlichen Kooperation zwischen der Goethe-Universität Frankfurt und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Jetzt wurde der Rahmenvertrag erneuert und unter rechtlichen sowie wissenschaftspolitischen Gesichtspunkten aktualisiert. Beschleuniger- und Schwerionenphysik sowie die „grüne“ IT-Technologie werden jetzt erstmals als konkrete Forschungsgebiete im Vertrag festgehalten.

Im wissenschaftlichen Netzwerk der Rhein-Main-Region kooperieren das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und die Goethe-Universität seit vielen Jahren eng miteinander. Es gibt acht gemeinsam berufene Professoren etwa in der theoretischen Physik und der Beschleunigerphysik, außerdem zahlreiche Kooperationsprojekte, zum Beispiel die Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR (HFHF), einem Think Tank der physikalischen Grundlagenforschung, und die Graduiertenakademie GRADE Center for Hadron and Ion Research, die an der Goethe-Universität angesiedelt ist. Auch der Green-IT-Cube der GSI, eines der leistungsfähigsten und energieeffizientesten Rechenzentren der Welt, geht auf eine Entwicklung von Wissenschaftlern von Goethe-Universität und GSI zurück.

Prof. Enrico Schleiff, Präsident der Goethe-Universität Frankfurt, erläutert: „Die GSI mit der großen Beschleunigeranlage FAIR, die gerade erbaut wird, ist seit vielen Jahren ein äußerst wichtiger strategischer Kooperationspartner für die Goethe-Universität Frankfurt. So qualifizieren wir in GRADE und in der Helmholtz Forschungsakademie HFHF gemeinsam die nächste Generation junger, talentierter Forscherinnen und Forscher und öffnen ihnen Möglichkeiten, sich wissenschaftlich zu etablieren. Weiterhin haben wir im vergangenen Jahr das vom Land Hessen geförderte Schwerpunktprojekt ELEMENTS gestartet, an dem die Goethe-Universität, das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und die TU Darmstadt beteiligt sind.“ Bei ELEMENTS experimentieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Teilchenbeschleunigern, um die Materie in extremen astrophysikalischen Objekten wie Neutronensternen zu verstehen und mit theoretischen Modellen zu beschreiben.

Präsident Schleiff ist überzeugt: „Mit der GSI verbindet uns die physikalisch-mathematische Grundlagenforschung, eines der prägenden Forschungsthemen der Goethe-Universität, die wir in unserem Profilbereich ‚Space, Time & Matter‘ gebündelt haben: Hier arbeiten rund 150 Professorinnen und Professoren und 1000 Mitarbeitende und bilden 10.000 Studierende aus. Zusammen mit der GSI wollen wir die Spitzenforschung in diesem Bereich weiter vorantreiben. Aber der neue Kooperationsvertrag geht weit über die Zusammenarbeit in der Forschung hinaus und bietet somit auch Raum für neue Kooperationsformate bis in die Verwaltung hinein.“

Prof. Paolo Giubellino, wissenschaftlicher Geschäftsführer des GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, erklärt: „Mit FAIR entsteht bei GSI eine weltweit einzigartige Beschleunigeranlage für die Forschung in der Teilchen- und Kernphysik, mit der wir neue Erkenntnisse zum Aufbau der Materie und zur Entwicklung des Universums gewinnen werden. Die enge Partnerschaft mit der Goethe-Universität wird unseren wissenschaftlichen Erfahrungsaustausch weiter fördern und die Grundlagenforschung in diesem faszinierenden Wissenschaftsfeld ausbauen. Neben dem reinen Erkenntnisgewinn erwarteten wir auch hochspannende wissenschaftliche Ergebnisse aus der biomedizinischen Strahlenforschung und der Materialforschung. Und hochtechnologische Neuentwicklungen in den Bereichen Detektor- und Sensortechnologien oder in energiesparenden Supercomputern generieren nicht nur Nutzen für die Wissenschaft, sondern auch für Wirtschaft und Gesellschaft. Wir sind froh, mit der Goethe-Universität einen so starken Forschungspartner zu haben.“

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 22. September 2022.

22. September 2022 – Die Forschenden entdeckten Bereiche mit starker Anreicherung von Seltenen Erden und unerwartete Strukturen. Darüber berichten sie als Teil einer internationalen Forschungskooperation jetzt im Wissenschaftsmagazin Science (DOI 10.1126/science.abn8671, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn8671).

Das Team um Frank Brenker ist weltweit führend in einer Methode, die es erlaubt, vollkommen zerstörungsfrei und ohne aufwendige Probenvorbereitung Material in allen drei Raumrichtungen auf seine chemische Zusammensetzung hin zu untersuchen – und zwar mit einer Auflösung von weniger als 100 Nanometern. Die Auflösung gibt den kleinsten wahrnehmbaren Unterschied zwischen zwei Messwerten an. Der ausführliche Name der Methode lautet „Synchrotron Radiation induced X-Ray Fluorescence Computed Tomography“, kurz SR-XRF-CT.

Japan hatte Ryugu (deutsch: Drachenpalast) als Ziel einer Sonde ausgewählt, weil es sich um einen Asteroiden handelt, der wegen seines hohen Kohlenstoffgehalts versprach, besonders viele Informationen über die Entstehung des Lebens in unserem Sonnensystem zu liefern. Die Analysen der Forschenden unter Beteiligung der Frankfurter Wissenschaftler an 16 Partikeln zeigen nun, dass Ryugu aus CI-Material besteht, das in seiner chemischen Zusammensetzung der Sonne äußerst ähnlich ist. Von diesem CI-Material wurde bisher auf der Erde nur selten etwas gefunden – Material, von dem unklar war, wie stark es durch den Eintritt in die Erdatmosphäre sowie den Aufprall auf der Erde verändert oder verunreinigt wurde. Außerdem bestätigen die Analyse die Annahme, dass Ryugu von einem Mutterasteroiden stammt, der sich im äußeren Sonnennebel bildete.

Bisher ging die Wissenschaft davon aus, dass es bedingt durch die niedrigen Temperaturen bei der Entstehung des CI-Materials in der Frühzeit des Sonnensystems kaum Materialtransport innerhalb des Asteroiden gab und damit auch kaum eine Chance für die massive Anreicherung von Elementen. Die Frankfurter Forschenden fanden jedoch mittels SR-XRF-CT in einem der Körner des Asteroiden eine feine Ader aus Magnetit – einem Eisenoxid-Mineral – und Hydroxylapatit, einem phosphathaltigen Mineral. Andere Wissenschaftler-Gruppen ermittelten, dass sich die Struktur und andere Magnetit-Hydroxylapatit-Bereiche in den Ryugu-Proben bei einer überraschend niedrigen Temperatur von unter 40 Grad Celsius gebildet haben müssen. Diese Erkenntnis ist wesentlich für die Interpretation nahezu aller Ergebnisse, die die Untersuchung der Ryugu-Proben erbracht haben und noch erbringen werden.

Das Team von Frank Brenker wies in Hydroxylapatit-haltigen Bereichen der Proben zudem Metalle der Seltenen Erden nach – eine Gruppe von chemischen Elementen, die heutzutage unter anderem für Legierungen und Gläser in High-Tech-Anwendungen unentbehrlich ist. „Die Seltenen Erden kommen in dem Hydroxylapatit des Asteroiden in 100-fach höheren Konzentrationen vor als sonst im Sonnensystem“, sagt Brenker. Zudem seien alle Elemente der Seltenen Erdmetalle in dem Phosphat-Mineral in gleichem Maße angereichert – auch das ist ungewöhnlich. „Diese gleiche Verteilung der Seltenen Erden liefert einen weiteren Hinweis darauf, dass Ryugu ein sehr ursprünglicher Asteroid ist, der die Anfänge unseres Sonnensystems repräsentiert“, ist Brenker überzeugt.

Es ist keineswegs selbstverständlich, dass Forschende der Goethe-Universität Frankfurt Proben der Hayabusa-2-Mission untersuchen durften: Immerhin hat Japan diese Weltraummission komplett in eigener Regie gestaltet und laut Angaben aus dem Jahr 2010 dafür 123 Millionen Euro aufgewendet. Daher möchte das Land jetzt auch einen großen Teil der wissenschaftlichen Ernte einfahren. Doch auf die Expertise der deutschen SR-XRF-CT-Experten mochte Japan dann doch nicht verzichten.

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• HAYABUSA-2 zu Asteroid (162173) Ryugu auf H-IIA

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main.

Frankfurt, 8. April 2022 – Als einer der ersten Wissenschaftler wird der Geowissenschaftler Prof. Frank Brenker von der Goethe-Universität Frankfurt ab 2023 Gesteinsproben des Asteroiden Bennu untersuchen können. Dies gab die US-amerikanische Weltraumbehörde NASA bekannt. 2020 hatte die NASA-Raumsonde OSIRIS-REx Gesteinsproben von Bennu genommen und befindet sich seitdem auf dem langen Rückflug zur Erde. Die Proben versprechen neue Erkenntnisse über die frühe Geschichte des Sonnensystems und Bildung der Erde.

Asteroiden haben im Laufe der Erdgeschichte das Aussehen unseres blauen Planeten stark mitbestimmt: Einschläge dieser Himmelskörper brachten wahrscheinlich das Wasser für unsere Ozeane auf die Erde, auch Bausteine des Lebens und viele Edelmetalle stammen wohl von diesen Himmelskörpern.

Um mehr über Asteroiden und ihren Einfluss auf die Erdgeschichte und die Entstehung des Lebens zu erfahren, hat die US-amerikanische Weltraumbehörde 2016 die Raumsonde OSIRIS-REx zu dem erdnahen Asteroiden Bennu geschickt. Bennu ist ein 500 Meter großer Asteroid der C-Klasse und gehört damit zu den ursprünglichsten Objekten unseres Sonnensystems. Forscher gehen davon aus, dass sich diese Asteroiden seit mehr als 4,56 Milliarden Jahren nicht mehr entscheidend verändert haben. Damit erlauben sie einen ungestörten Blick in die Kinderstube unseres Sonnensystems.

Ende 2020 hat OSIRIS-REx Proben der Oberfläche von Bennu entnommen und wird 2023 mit mehr als 60 Gramm Asteroidenmaterial auf der Erde zurückerwartet. Die Proben sollen während des Vorbeiflugs der Raumsonde an der Erde über eine Rückkehrkapsel auf die Erdoberfläche gelangen. Zu den ersten Wissenschaftlern, die diese Proben dann untersuchen werden, gehört nun auch Prof. Frank Brenker vom Institut für Geowissenschaften der Goethe-Universität Frankfurt. Er wurde zusammen mit seinem Kollegen Prof. Laszlo Vincze, Universität Gent, von der NASA in das Voruntersuchungsteam berufen.

Der Grund: Prof. Frank Brenker hat zusammen mit Kolleginnen und Kollegen in den vergangenen Jahren ein präzises und hoch-ortsauflösendes Messverfahren entwickelt, das mithilfe von Supermikroskopen dreidimensional und berührungsfrei die chemische Zusammensetzung und die Struktur der Materie in den kostbaren Proben bestimmen kann. Die Supermikroskope arbeiten dazu mit energiereicher Röntgenstrahlung (Synchrotron-Strahlung), die an den Beschleunigeranlagen DESY in Hamburg und ESRF im französischen Grenoble erzeugt wird.

„Wir sind äußerst gespannt auf die einzigartigen Proben und sehr stolz über die Aufnahme in das Voruntersuchungsteam“, erklärt Frank Brenker. „In den Proben werden wir mit unserem Verfahren unter anderem die Gehalte und die Verteilung der so genannten seltenen Erden bestimmen, die für eine geowissenschaftliche und kosmochemische Interpretation von großer Bedeutung sind. Wir machen also quasi eine Spurenelement-Tomographie der Proben. Dies können außer uns nur wenige Wissenschaftsteams weltweit.“

Derzeit arbeitet das deutsch-belgische Wissenschaftsteam noch intensiv an der Untersuchung der Proben vom Asteroiden Ryugu, die die japanische Weltraumorganisation im Dezember 2020 zur Erde geholt hatte.

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• OSIRIS-REx auf Atlas V 411 AV-067

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main.

15. Dezember 2021 – Maschinenbauingenieurin, Pilotin oder Physikerin? Dass sich Hannah Elfner nach dem Abitur für das Physikstudium entschieden hat und sie dann bald zielsicher das Quark-Gluon-Plasma erforschen wollte, ist ein Glücksfall für dieses Forschungsgebiet. Denn bereits in ihrer preisgekrönten Dissertation wies die Physikerin daraufhin, dass die Phasenabläufe im Quark-Gluon-Plasma weitaus komplexer sind als damals angenommen. Für weitere Erkenntnisse über den extrem kurzen Moment nach dem Urknall erhielt sie neben anderen Preisen 2016 den renommierten Heinz Maier-Leibnitz-Preis für Nachwuchswissenschaftler.

Zu dieser Zeit erforscht sie schon seit vier Jahren in Frankfurt, wie sich Schwerionenkollisionen, mit denen experimentelle Physiker Prozesse nach dem Urknall simulieren und bei denen das Quark-Gluon-Plasma unter extremer Dichte entsteht, mit mathematischen Modellen beschreiben lassen. Als eine der jüngsten Physikprofessorinnen in Deutschland berufen, besetzt Elfner eine Doppelstelle am Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) an der Goethe-Universität und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. Inzwischen lehrt und forscht sie auf einer unbefristeten Professur an der Goethe-Universität, wo sie unter anderem in das Cluster-Projekt „Elements“ eingebunden ist. Seit wenigen Monaten koordiniert sie zudem die Theorieabteilung am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, wo sie zuvor mehrere Jahre lang eine Nachwuchsforschungsgruppe leitete.

Ein Glücksfall ist Hannah Elfner aber auch für das Team ihrer Nachwuchswissenschaftler. In der Laudatio zur „Scientist of the Year“-Auszeichnung beschreiben ehemalige und aktuelle Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter eindrücklich die individuelle Zuwendung, die die Physikprofessorin jedem einzelnen ihrer Studierenden und Doktoranden zukommen lässt – was unter anderem ein Grund dafür ist, dass Hannah Elfner nun als „Scientist of the Year“ ausgezeichnet wird. Universitätspräsident Enrico Schleiff sagt: „Frau Elfner ist eine exzellente junge Wissenschaftlerin, die sich sehr für ihr Fach und ihr Team einsetzt und mit ihrer Expertise ideal zu unseren Forschungsschwerpunkten beiträgt. Dass dieses Engagement von der Kassel-Stiftung gewertschätzt und unterstützt wird, freut mich natürlich ganz besonders.“ Den Preis „Scientist oft the Year“ vergibt die Alfons und Gertrud Kassel-Stiftung alle zwei Jahre an Forschende, die sich ergänzend zur eigenen herausragenden wissenschaftlichen Arbeit auch um die Nachwuchsförderung verdient machen; ein Teil des Preisgeldes in Höhe von 25.000 Euro soll deshalb auch in die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses fließen. Die für Anfang Dezember geplante feierliche Übergabe des Preises wurde pandemiebedingt nun auf das Frühjahr verschoben.

Sehr viel Spaß mache ihr die Arbeit mit den Studierenden, betont die Physikerin. Ein weiteres Motiv für ihr großes Engagement für den Nachwuchs: Sie möchte Studierende für ihr Fachgebiet zwischen theoretischer Grundlagenforschung und Experimentalphysik interessieren. In ihrer Arbeitsgruppe werden realistische dynamische Beschreibungen für Kollisionen von Atomkernen von Gold oder Blei unter Quasi-Lichtgeschwindigkeit entwickelt, die mit Teilchenbeschleunigern wie am CERN ausgelöst werden. 2025 soll der Bau des neuen internationalen Beschleunigerzentrums FAIR bei GSI in Darmstadt abgeschlossen sein. Von den Experimenten, die dort stattfinden sollen, erwarten Hannah Elfner und ihr Team genau auf ihre Fragestellungen passende Daten.

Von ihrem zweijährigen Aufenthalt an der US-amerikanischen Duke-University hat die Physikerin das Wissen mitgebracht, wie sie die mathematischen Berechnungen der Atomkernkollisionen in hoher Qualität visualisieren kann: eben jenen extrem kurzen Moment, bei dem die Protonen und Neutronen des Atomkerns zu kleineren Teilen, den Quarks, zerfallen und diese getrennt von den Gluonen auftreten, mit denen sie sonst „zusammenkleben“. Die faszinierenden Bewegungsbilder des Quark-Gluon-Plasmas dienen den Wissenschaftlern auch als Kontrolle für ihre Berechnungen: Mathematische Fehler werden sofort sichtbar. Die ästhetisch beeindruckenden Visualisierungen, die die extrem kurzen Prozesse bei einer Temperatur von einer Billion Grad darstellen, können aber auch Laien eine Ahnung vom „Big Bang“, dem Urknall, vermitteln.

Hannah Elfner hat die Bilder deshalb immer im Gepäck, wenn sie außerhalb der Universität – bei Vorträgen in Volkshochschulen oder Schülerprojekten beispielsweise – über ihr Forschungsgebiet berichtet. Bei solchen bürgernahen Terminen sagt Sie immer gern zu. Denn Wissenschaftskommunikation ist ihr wichtig. Und außerdem, sagt sie, solle man ruhig sehen, „dass auch Frauen Physikprofessoren sein können.“

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• Urknall

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main.

Frankfurt, 4. November 2021 – 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Jungfrau liegt die Galaxie Messier 87 (M87), eine Riesengalaxie mit 12.000 Kugelsternhaufen, gegen die die 200 Kugelsternhaufen der Milchstraße eher bescheiden wirken. Im Zentrum von M87 befindet sich ein schwarzes Loch von 6,5 Milliarden Sonnenmassen. Es ist das erste schwarze Loch, von dem es ein Bild gibt, erstellt 2019 von der internationalen Forschungskollaboration Event Horizon Telescope.

Dieses schwarze Loch (M87*) stößt mit nahezu Lichtgeschwindigkeit einen Plasmastrahl aus, einen so genannten relativistischen Jet, der 6000 Lichtjahre misst. Die ungeheure Energie für diesen Jet stammt wahrscheinlich aus der Anziehungskraft des schwarzen Lochs, doch wie genau ein solcher Jet entsteht und was ihn über diese riesige Entfernung hin stabilisiert, ist bisher noch nicht verstanden.

Das schwarze Loch M87* zieht Materie an, die in einer Ebene um das schwarze Loch in immer engeren Umlaufbahnen rotiert, bis sie von dem schwarzen Loch aufgesaugt wird. Aus dem Zentrum dieser spiralförmigen Akkretionsscheibe von M87* (lateinisch accrescere – anwachsen) wird der Jet ausgestoßen, und diese Region modellierten jetzt sehr detailreich theoretische Physiker der Goethe-Universität Frankfurt zusammen mit Wissenschaftlern aus Europa, den USA und China.

Dabei nutzten sie ausgefeilte dreidimensionale Supercomputer-Simulationen, die pro Simulation die gewaltige Menge von einer Million CPU-Stunden verschlangen und gleichzeitig die Gleichungen von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, James Maxwells Gleichungen zum Elektromagnetismus und Leonhard Eulers Gleichungen zur Strömungsmechanik integrieren mussten.

Das Ergebnis war ein Modell, bei dem die berechneten Werte für Temperaturen, Materiedichten und Magnetfeldern in hohem Maße mit den Werten übereinstimmten, die aus den astronomischen Beobachtungen errechnet wurden. Auf dieser Basis gelang es den Wissenschaftlern, die komplexe Strahlungsbewegung in der gekrümmten Raumzeit im innersten Bereich des Jets zu modellieren und in Bilder des Radiowellenspektrums zu übersetzen. Diese computermodellierten Bilder konnten sie nun mit den Beobachtungen vergleichen, die während der vergangenen drei Jahrzehnte mit zahlreichen Radioteleskopen und Satelliten gemacht wurden.

Dr. Alejandro Cruz-Osorio, Erstautor der Studie, erklärt: „Unser theoretisches Modell der elektromagnetischen Emission und der Jet-Morphologie von M87 stimmt überraschend gut mit den astronomischen Beobachtungen des Jets überein, und zwar im infraroten, im optischen und im Röntgenspektrum. Daraus folgern wir, dass das supermassive Schwarze Loch M87* wahrscheinlich stark rotiert und dass das Plasma im Jet stark magnetisiert ist, wodurch die Teilchen so stark beschleunigt werden, dass sie diesen Jet über Tausende von Lichtjahren bilden.“

Prof. Luciano Rezzolla vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt meint: “Dass die von uns berechneten Bilder den astronomischen Beobachtungen so nahekommen, ist eine weitere wichtige Bestätigung dafür, dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie die genaueste und natürlichste Erklärung für die Existenz supermassereicher schwarzer Löcher im Zentrum von Galaxien ist. Zwar lassen unsere Berechnungen immer noch Raum für alternative Erklärungsmodelle, doch durch die Ergebnisse unserer Arbeit wird dieser Raum deutlich kleiner.“

Publikation:
Alejandro Cruz-Osorio, Christian M. Fromm, Yosuke Mizuno, Antonios Nathanail, Ziri Younsi, Oliver Porth, Jordy Davelaar, Heino Falcke, Michael Kramer, Luciano Rezzolla: State-of-the-art energetic and morphological modelling of the launching site of the M87 jet. Nature Astronomy 2021

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• Event Horizon Telescope „EHT“

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main.

Frankfurt 20. Mai 2021 – Den Tests zufolge stimmt die Größe des Schattens von M87* sehr gut überein mit den Eigenschaften eines schwarzen Lochs, wie die allgemeine Relativitätstheorie erwarten lässt, anderen Theorien hingegen hinsichtlich der Eigenschaften des schwarzen Lochs aber Grenzen setzt. Die EHT-Kollaboration hatte 2019 das erste Bild eines schwarzen Lochs veröffentlicht, das sich im Zentrum der Galaxie M87 befindet.

Wie der deutsche Astronom Karl Schwarzschild erstmals aufzeigte, krümmen schwarze Löcher aufgrund ihrer extremen Konzentration an Masse die Raumzeit extrem stark und heizen die Materie in ihrer Umgebung auf, sodass diese anfängt zu leuchten. Der neuseeländische Physiker Roy Kerr konnte zeigen, dass Rotation die Größe eines schwarzen Lochs und den Raum in seiner Umgebung ändert. Den „Rand“ eines schwarzen Lochs stellt der so genannte Ereignishorizont dar, die Grenze um die Massekonzentration herum, jenseits der Licht und Materie nicht entkommen können und die das schwarze Loch schwarz macht. Schwarze Löcher können, so sagen Theorien es voraus, durch eine Reihe von Eigenschaften beschrieben werden, durch ihre Masse, Rotation („Spin“) und eine Vielzahl möglicher Ladungen.

Zusätzlich zur Beschreibung von schwarzen Löchern nach der allgemeinen Relativitätstheorie lassen sich schwarze Löcher etwa mit Theorien beschreiben, die sich aus der String-Theorie herleiten. Diese Art von Theorien nimmt ein zusätzliches skalares Feld in der zugrundeliegenden Physik an, das bei schwarzen Löchern zu beobachtbaren Veränderungen in ihrer Größe wie auch der Krümmung des Raums in ihrer Umgebung führt.

Die Physiker Dr. Prashant Kocherlakota und Prof. Luciano Rezzolla vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt haben nun erstmals überprüft, wie die verschiedenen Theorien zu den Beobachtungsdaten des schwarzen Lochs M87* im Zentrum der Galaxie Messier 87 passen. Das Bild von M87*, das 2019 von der weltumspannenden Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration gemacht wurde, war nach der Messung von Gravitationswellen 2015 der erste experimentelle Beweis für die tatsächliche Existenz von schwarzen Löchern.

Das Ergebnis der Frankfurter Untersuchungen: Die Daten von M87* stimmen vollständig überein mit den auf Einstein basierenden Theorien und zu einem gewissen Teil mit den String-basierten Theorien. Dr. Prashant Kocherlakota erklärt: „Durch die von der EHT-Kollaboration aufgezeichneten Daten können wir nun verschiedene Theorien zu schwarzen Löchern testen. Derzeit können wir noch keine der Theorien zur Beschreibung des Schattens von M87* verwerfen, aber mit unseren Berechnungen schränken wir den Gültigkeitsraum der Modelle von schwarzen Löchern ein.“

Prof. Luciano Rezzolla meint: „Die Idee eines schwarzen Lochs ist für uns theoretische Physiker gleichzeitig eine Quelle von Problemen und der Inspiration. Während wir immer noch mit einigen der Konsequenzen von schwarzen Löchern kämpfen wie zum Beispiel den Phänomenen ‚Ereignishorizont‘ oder ‚Singularität‘, freuen wir uns, wenn wir Lösungen zur Beschreibung von schwarzen Löchern in immer weiteren Theorien finden. Ergebnisse wie die jetzt von uns vorgestellten sind daher wichtig, um zu bestimmen, welche Theorien plausibel sind und welche nicht. Neue Beobachtungen schwarzer Löcher werden unsere ersten Eingrenzungen der Theorien weiter präzisieren.“

In der Event-Horizon-Telescope-Kollaboration sind Teleskope von Observatorien rund um den Globus zu einem virtuellen Riesenteleskop zusammengeschaltet, dessen Schüssel so groß ist wie die Erde selber. Mit der Präzision dieses Teleskops könnte man von einem Straßencafé in Berlin aus eine Zeitung in New York lesen.

Publikation:
Prashant Kocherlakota, Luciano Rezzolla, Heino Falcke, Christian M. Fromm, Michael Kramer, Yosuke Mizuno, Antonios Nathanail, H´ector Olivares, Ziri Younsi et. al. (The Event Horizon Telescope collaboration), Constraints on black-hole charges with the 2017 EHT observations of M87*. Physical Review D, vol 103 PDF.

Verwandte Meldungen bei Raumfahrer.net:

• Multifrequenzbeobachtungen von M87* (14. April 2021)
• Magnetfelder am Rand von Schwarzem Loch in M87 (24. März 2021)
• Der Ring um das Schwarze Loch in M 87* funkelt (23. September 2020)
• M87: Verdrillter Jet und schwach polarisierter Kern (2. Juli 2020)
• Das erste Bild eines schwarzen Lochs (11. Mai 2019)
• Das massereichste schwarze Loch (9. Juni 2009)

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• Event Horizon Telescope „EHT“

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main.

Welchen Einfluss die Schwerkraft auf biochemische Vorgänge in Knorpelzellen ausübt, untersuchen Wissenschaftler der Goethe-Universität zusammen mit Kollegen der Hochschule Luzern im Rahmen einer Messkampagne der Europäischen Weltraumagentur ESA. Heute beginnen auf dem Flughafen Bordeaux-Mérignac in Frankreich die Vorbereitungen für eine Reihe von Parabelflügen in der kommenden Woche. Die Experimente vor Ort wird der Doktorand Andreas Hammer von der Goethe-Universität begleiten.

Knorpelzellen, sogenannte Chondrozyten, reagieren auf die Schwerkraft: Bei länger bettlägerigen Patienten kann es – ebenso wie bei Astronauten, die sich über Wochen und Monate im Weltraum aufhalten – zu Degenerationserscheinungen des Gelenkknorpels kommen.

Zusammen mit Wissenschaftlern der Hochschule Luzern führt der Molekularbiologe Andreas Hammer vom Zero-G-Lab der Goethe-Universität bei Parabelflügen in Frankreich Experimente durch, um das Verhalten von Chrondrozyten in der Schwerelosigkeit zu beobachten. Im Fokus stehen bestimmte Membrankanäle der Chondrozyten, die sich womöglich in Abhängigkeit von mechanischer Belastung öffnen und schließen, um das Signalmolekül Calcium in die Chondrozyten zu lassen.

Bei einem Parabelflug wechselt das Flugzeug nach einem Steilflug in einen freien Fall, währenddessen in seinem Inneren für rund 20 Sekunden Schwerelosigkeit herrscht. In dieser Zeit wird Andreas Hammer seine Experimente durchführen, die Messapparaturen dazu wurden von langer Hand von den Kooperationspartnern in Frankfurt und Luzern vorbereitet und konstruiert. Während der Schwerelosigkeit wird Andreas Hammer die Chondrozyten, die in kleinen Messkammern mit Nährflüssigkeit gezüchtet wurden, mit UV-Licht bestrahlen. Das UV-Licht führt dazu, dass ein künstlich in die Chondrozyten eingeführtes Protein seine Farbe ändert, und zwar in Abhängigkeit von der Calciumkonzentration im Inneren der Zelle. Insgesamt werden während der Kampagne Chondrozyten in mehr als 2.300 kleinen Messkammern unter verschiedenen Bedingungen untersucht. Die Forscher erhoffen sich hieraus nicht nur Erkenntnisse über Knorpeldegenerationen in der Schwerelosigkeit, sondern auch auf der Erde.

Pro Flug werden 31 Parabeln geflogen, was für den Gleichgewichtssinn und den Magen der Teilnehmerinnen und Teilnehmer eine große Herausforderung darstellt, zumal gleichzeitig noch Experimente durchgeführt werden sollen. Deswegen erhalten die Mitfliegenden vorab in der Regel ein Medikament gegen Übelkeit.

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• Parabelflüge

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