Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena 17. April 2024.

17. April 2024 – Peptide sind organische Verbindungen, die in vielen biologischen Prozessen eine wichtige Rolle spielen; beispielsweise als Enzyme. Dass einfache Peptide auf kosmischen Staubkörnern entstehen können, wurde vom Forschungsteam um Dr. Serge Krasnokutski vom Astrophysikalischen Labor des Max-Planck-Instituts für Astronomie an der Universität Jena bereits gezeigt. Bisher ging man jedoch davon aus, dass das nicht möglich ist, wenn in dem molekularen Eis, das das Staubkorn bedeckt, Wasser vorhanden ist – was aber meistens der Fall ist. Nun fand das Team in einer Kooperation mit der französischen Universität Poitiers heraus, dass die Gegenwart von Wassermolekülen kein großes Hindernis dafür ist, dass Peptide auf solchen Staubpartikeln entstehen. Das berichten die Forschenden im Fachmagazin „Science Advances“.

Chemie im eisigen Vakuum
„Wir haben in einer Vakuumkammer Bedingungen nachgestellt, wie sie im Weltall herrschen und dabei auch die Substanzen hinzugegeben, wie sie in sogenannten molekularen Wolken vorkommen“, erklärt Krasnokutski. Diese Substanzen sind Ammoniak, atomarer Kohlenstoff und Kohlenmonoxid. „Damit sind alle chemischen Elemente vorhanden, aus denen einfache Peptide bestehen“, ergänzt der Physiker.

Aus diesen Ausgangsstoffen, beschreibt Krasnokutski, entstehen zunächst chemische Vorstufen von Aminosäuren: sogenannte Aminoketene. Diese verbinden sich schließlich zu Ketten, sodass Polypeptide vorliegen. „Bisher war die Vermutung, dass die einzelnen Aminoketene sich zu Peptiden verbinden, wobei Wasser frei wird“, führt der Wissenschaftler aus. Für diesen Schritt könnte es also entscheidend sein, dass kein Wasser zugegen ist, da dies die Reaktion behindern würde. „Die meisten interstellaren Staubkörner sind jedoch mit wasserhaltigem molekularem Eis bedeckt“, sagt Krasnokutski. Daher war die Annahme bislang, dass, wenn sich Peptide im Weltall bilden, das nur in geringem Maße geschieht.

Präzise Analyse in Frankreich
„Die hochpräzisen massenspektrometrischen Untersuchungen, die nun an der Universität Poitiers möglich waren, zeigten jedoch, dass anwesendes Wasser im molekularen Eis die Bildung von Peptiden zwar um fünfzig Prozent verlangsamt, sie aber trotzdem entstehen“, erklärt er. „Wenn man die Zeitskalen betrachtet, in denen astronomische Prozesse ablaufen, ist diese Verlangsamung so gut wie vernachlässigbar.“

Die Frage, ob nun die ersten Biomoleküle auf unserem Planeten terrestrischen oder extraterrestrischen Ursprungs sind – oder beides – wird wahrscheinlich bis auf weiteres nicht eindeutig geklärt werden. Der Weltraum als Quelle unseres Lebens ist aber nicht auszuschließen, wie diese Entdeckung zeigt.

Originalpublikation:
Serge A. Krasnokutski, Cornelia Jäger, Thomas Henning, Claude Geffroy, Quentin. B. Remaury, Pauline Poinot, „Formation of extraterrestrial peptides and their derivatives“, Science Advances, 2024, DOI: 10.1126/sciadv.adj7179
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj7179

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• Chemie im All

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena 17. Januar 2024.

17. Januar 2024 – Die Menschen der Antike kannten fünf Planeten: Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn, die sie für „Wandelgestirne“ hielten. Erst mit der kopernikanischen Wende im 16. Jahrhundert wurde auch die Erde selbst zu einem Planeten, der ebenso wie die bis dahin bekannten und die später entdeckten Vertreter Uranus und Neptun um unseren Planeten-Mutterstern – die Sonne – kreisen. Bis vor rund drei Jahrzehnten waren diese acht die einzigen bekannten Planeten überhaupt.

Seither hat sich die bekannte Planetenfamilie im Universum jedoch enorm erweitert: Nach der Entdeckung der ersten Vertreter außerhalb unseres Sonnensystems, ist die Zahl sogenannter extrasolarer Planeten (oder kurz Exoplaneten) heute bis auf über 5.000 angewachsen. „Während die große Mehrheit von ihnen wie die Planeten in unserem Sonnensystem um Einzelsterne kreisen, sind manche Exoplaneten aber auch Teil eines Mehrfachsternsystems“, sagt Kai-Uwe Michel, Doktorand am Astrophysikalischen Institut der Universität Jena. Er hat gemeinsam mit seinem Kollegen Dr. Markus Mugrauer in einer aktuellen Studie untersucht, wie viele der inzwischen bekannten Planeten-Muttersterne einen oder sogar mehrere Begleitsterne besitzen und welchen Einfluss diese stellare Multiplizität auf die Eigenschaften der Planetensysteme hat. Ihre Ergebnisse stellen die beiden Astrophysiker im Fachmagazin Monthly Notices of the Royal Astronomical Society vor.

Hunderte Begleitsterne von Planeten-Muttersternen neu entdeckt
Ihre Untersuchungen haben die beiden Forscher mithilfe von Beobachtungsdaten des Weltraumteleskops „Gaia“ der europäischen Weltraumagentur ESA durchgeführt und mehr als 2.200 Planeten-Muttersterne auf mögliche Begleitsterne untersucht. Bei etwa jedem fünften Planeten-Mutterstern wurden sie fündig. Insgesamt konnten sie mehrere Hundert neue Begleitsterne nachweisen. Damit steigt entsprechend auch die Zahl der bekannten Exoplaneten, die in Mehrfachsternsystemen zu finden sind. Dabei wurden Begleitsterne sowohl mit sehr geringen Abständen zu den Planeten-Muttersternen von nur wenigen astronomischen Einheiten (AE) gefunden, als auch weit entfernte Begleiter mit Abständen von bis zu 10.000 AE. Eine AE entspricht einer Strecke von ca. 150 Millionen Kilometer, was in etwa dem mittleren Abstand der Erde zur Sonne entspricht. Auch die Massen der detektierten Begleitsterne sind sehr unterschiedlich und reichen von ca. acht Prozent der Sonnenmasse für die masseärmsten bis zu 2,4 Sonnenmassen für die massereichsten Begleiter.

Neben Sternen wurden zudem auch eine Reihe von sub-stellaren Objekten, sogenannte Braune Zwerge, als Begleiter von Planeten-Muttersternen entdeckt. Die Mehrheit der detektierten Mehrfachsternsysteme mit Exoplaneten sind Doppelsterne. In vier dieser Systeme wurden Exoplaneten sogar um jeden der beiden Sterne dieser Systeme gefunden. Des Weiteren konnten bei einigen Planeten-Muttersternen gleich zwei Begleitsterne detektiert werden, die zusammen mit den Muttersternen hierarchische Dreifachsternsysteme bilden.

Schwergewichte unter den Exoplaneten häufiger in Mehrfachsternsystemen
So verschieden die Eigenschaften der entdeckten Sternsysteme mit Exoplaneten sind, so vielfältig erweisen sich auch die physikalischen und dynamischen Eigenschaften der Planeten in diesen Systemen. So unterscheiden sich etwa die Massen von Einzelstern- und Mehrfachsternplaneten deutlich voneinander. Im Mittel weisen Planeten in Mehrfachsternsystemen eine neun Mal höhere Masse auf als Einzelsternplaneten. Auch die Masse der Muttersterne selbst ist im Mittel höher, wenn diese Mitglieder von Sternsystemen sind. In Mehrfachsternsystemen ist zudem die Masse der Planeten vom gravitativen Störeinfluss des Begleitsterns abhängig. Je stärker dieser ist, desto höher ist im Mittel auch die Planetenmasse. Auch die Häufigkeit der massereicheren Braunen Zwerge in diesen Systemen wächst mit dem gravitativen Störeinfluss des Begleitsterns.

„Eine weitere wichtige Eigenschaft von Planeten ist die Exzentrizität ihrer Umlaufbahn“, erläutert Dr. Mugrauer. Diese wirke sich beispielsweise auf den mittleren Strahlungsfluss aus, den ein Planet von seinem Mutterstern empfängt, was unter anderem seine Oberflächentemperatur stark beeinflusst. „Es zeigte sich nun, dass diejenigen Exoplaneten mit den größten Bahn-Exzentrizitäten alle in Mehrfachsternsystemen zu finden sind.“ Zudem erhöht sich die Bahn-Exzentrizität von Planeten in diesen Sternsystemen mit dem gravitativen Störeinfluss des Begleitsterns.

Originalpublikation:
Kai-Uwe Michel, Markus Mugrauer, Gaia search for (sub)stellar companions of exoplanet hosts, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 527, Issue 2, January 2024, Pages 3183–3195,
doi.org/10.1093/mnras/stad3196
https://academic.oup.com/mnras/article/527/2/3183/7379625
pdf: https://academic.oup.com/mnras/article/527/2/3183/7379625

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• Exoplaneten

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Quelle: DESY 7. Februar 2023.

7. Februar 2023 – Zum ersten Mal haben Forscher live verfolgt, was bei einem Asteroideneinschlag in dem getroffenen Material genau vor sich geht. Das Team von Falko Langenhorst von der Universität Jena und Hanns-Peter Liermann von DESY hat dazu einen Asteroideneinschlag mit Quarz im Labor nachgestellt und quasi in Zeitlupe in einer Hochdruckzelle ablaufen lassen. Dabei verfolgten die Forscher das Ereignis mit DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III. Die Beobachtung enthüllt einen Zwischenzustand in dem untersuchten Quarz und löst damit ein Jahrzehnte altes Rätsel über die Entstehung charakteristischer Strukturen in dem an der Erdoberfläche allgegenwärtigen Mineral. Die Analyse hilft, Spuren vergangener Einschläge besser zu verstehen, und hat möglicherweise darüber hinaus auch Bedeutung für ganz andere Materialien. Die Forscher stellen ihre Ergebnisse im Fachblatt „Nature Communications“ vor.

Indikator-Mineral
Asteroideneinschläge sind katastrophale Ereignisse, bei denen riesige Krater entstehen und manchmal Teile des Erdgesteins aufgeschmolzen werden. „Dennoch sind Krater erdgeschichtlich oft schwer nachzuweisen, denn durch Erosion, Verwitterung und Plattentektonik verschwinden sie im Laufe von Jahrmillionen“, erläutert Langenhorst. Daher dienen als Nachweis für einen Einschlag häufig Minerale, die durch die Wucht des Einschlags charakteristische Veränderungen erfahren. So wandelt sich der auf der Erdoberfläche allgegenwärtige Quarzsand (Siliziumdioxid, SiO₂) durch so einen Einschlag schrittweise in Glas um, wobei die Quarzkörner dann von mikroskopischen Lamellen durchzogen werden. Diese Struktur lässt sich erst unter dem Elektronenmikroskop detailliert erkunden und ist beispielsweise in Material aus dem relativ jungen Barringer-Krater in Arizona (USA) zu finden.

„Seit mehr als 60 Jahren dient dieses lamellenartige Glas als Indikator für einen Asteroideneinschlag, aber niemand wusste bisher, wie es überhaupt zu dieser Struktur kommt“, sagt Liermann. „Dieses Jahrzehnte alte Rätsel haben wir nun gelöst.“ Die Forscher hatten dazu jahrelang Techniken weiterentwickelt, mit denen sich Materialien unter Hochdruck im Labor untersuchen lassen. Dazu wird die Probe in der Regel in einer sogenannten Stempelzelle zwischen zwei kleinen Diamanten zusammengepresst. So lassen sich kontrolliert extreme Drücke wie im Erdinneren – oder wie bei einem Asteroideneinschlag – erzeugen.

Charakteristische Lamellen
Für seine Versuche verwendete das Team eine dynamische Diamantstempelzelle, in der sich der Druck während der Messung sehr schnell verändern lässt. Darin pressten die Forscher kleine Siliziumdioxid-Kristalle mit sehr regelmäßigem Kristallgitter immer stärker zusammen und durchleuchteten sie währenddessen mit dem intensiven Röntgenlicht von PETRA III, um ihre innere Struktur zu erkunden. „Die Kunst ist, den simulierten Asteroideneinschlag langsam genug ablaufen zu lassen, um ihn im Röntgenlicht verfolgen zu können, aber nicht zu langsam, so dass die für einen Asteroideneinschlag typischen Effekte noch entstehen können“, sagt Liermann. Als richtige Zeitdauer erwiesen sich dabei Experimente im Sekundenmaßstab.

„Wir konnten beobachten, dass sich die Quarzstruktur bei einem Druck von ungefähr 180.000 Atmosphären plötzlich in eine enger gepackte Übergangsstruktur umwandelt, die wir Rosiait-artig nennen“, berichtet Erstautor Christoph Otzen, der seine Doktorarbeit über diese Untersuchungen schreibt. „In dieser Kristallstruktur schrumpft der Quarz um ein Drittel seines Volumens. Die charakteristischen Lamellen formen sich genau dort, wo der Quarz diese sogenannte metastabile Phase bildet, die vor uns noch niemand in Quarz hat identifizieren können.“ Rosiait ist ein oxidisches Mineral, nach dem die auch bei anderen Materialien bekannte Kristallstruktur benannt worden ist. Es besteht nicht aus Siliziumdioxid, sondern ist ein Bleiantimonat (eine Verbindung aus Blei, Antimon und Sauerstoff).

Kollaps in ungeordnete Struktur
„Je höher der Druck steigt, desto größer wird der Anteil mit Rosiait-artiger Struktur im Quarz“, erläutert Otzen. „Lässt der Druck wieder nach, wandeln sich die Rosiait-artigen Lamellen aber nicht in die ursprüngliche Struktur von Quarz zurück, sondern sie kollabieren zu Glaslamellen mit ungeordneter Struktur. Diese Lamellen sehen wir auch in Quarzkörnern aus Ablagerungen von Asteroideneinschlägen.“ Menge und Orientierung der Lamellen lassen dabei Rückschlüsse auf den Druck beim Einschlag zu. „Seit Jahrzehnten werden solche Lamellen zum Nachweis und zur Analyse von Asteroideneinschlägen genutzt“, betont Langenhorst. „Aber erst jetzt können wir ihre Entstehung genau erklären und verstehen.“

Für die Untersuchung haben die Forscher nicht die größten technisch möglichen Drücke verwendet. „Im Bereich der höchsten Drücke entsteht so viel Hitze, dass das Material schmilzt oder verdampft“, erläutert Langenhorst. „Aufgeschmolzenes Material, das wieder zu Gestein erstarrt, gibt uns erstmal keine nützliche Auskunft. Wichtig ist jedoch genau der Druckbereich, in dem Minerale charakteristische Veränderungen im festen Zustand durchlaufen, und genau das haben wir in diesem Fall untersucht.“

Bedeutung für andere Materialien?
Die Ergebnisse könnten über die Erforschung von Asteroideneinschlägen hinaus Bedeutung haben. „Was wir beobachtet haben, könnte eine Modellstudie für die Glasbildung auch ganz anderer Materialien wie beispielsweise Eis sein“, betont Langenhorst. „Eventuell ist es ein typischer Weg, dass eine Kristallstruktur sich bei schneller Kompression in einem Zwischenschritt in eine metastabilen Phase umwandelt, die dann in die ungeordnete Glasstruktur übergeht. Auch das wollen wir weiter untersuchen, denn das wäre von großer Bedeutung für die Materialforschung.“

Mit dem bei DESY geplanten Ausbau von PETRA III zum weltbesten Röntgenmikroskop PETRA IV werden solche Untersuchungen in Zukunft noch realistischer möglich sein. „Die 200mal höhere Intensität der Röntgenstrahlung wird uns erlauben, diese Experimente 200 Mal schneller ablaufen zu lassen, so dass wir einen Asteroideneinschlag noch realistischer simulieren können“, sagt Liermann.

Über DESY:
DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekordenergien und öffnen neue Fenster ins Universum. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Originalveröffentlichung:
Evidence for a rosiaite-structured high-pressure silica phase and its relation to lamellar amorphization in quartz; Christoph Otzen, Hanns-Peter Liermann, Falko Langenhorst; „Nature Communications“, 2023; DOI: 10.1038/s41467-023-36320-7
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36320-7
pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-023-36320-7.pdf

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• Barringer-Krater

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena 18. November 2022.

18. November 2022 – Wenn Schwarze Löcher im Universum aufeinanderprallen, dann beben Raum und Zeit: Die bei der Verschmelzung freiwerdende Energiemenge ist so groß, dass sie die Raumzeit in Schwingung versetzt – ähnlich wie Wellen auf einer Wasseroberfläche. Diese Gravitationswellen breiten sich durch das gesamte Universum aus und lassen sich auch in Tausenden von Lichtjahren Entfernung noch messen – so wie am 21. Mai 2019, als die beiden Gravitationswellenobservatorien LIGO (USA) und Virgo (Italien) ein solches Signal einfingen. Das nach dem Datum seiner Entdeckung GW190521 benannte Gravitationswellenereignis hat seither in der Fachwelt für Gesprächsstoff gesorgt, da es sich von den zuvor gemessenen Signalen deutlich unterscheidet.

Das Signal war zunächst so interpretiert worden, dass es sich bei der Kollision um zwei Schwarze Löcher handelte, die sich auf nahezu kreisförmigen Bahnen umeinander bewegen. „Solche binären Systeme können durch eine Reihe astrophysikalischer Prozesse entstehen“, erklärt Prof. Dr. Sebastiano Bernuzzi, theoretischer Physiker von der Universität Jena. So seien die meisten von LIGO und Virgo entdeckten Schwarzen Löcher stellaren Ursprungs. „Das heißt, sie sind die Überreste von massereichen Sternen in Doppelsternsystemen“, so Bernuzzi weiter, der die aktuelle Studie leitete. Solche Schwarzen Löcher umrunden einander auf quasi kreisförmigen Bahnen, so wie es die ursprünglichen Sterne zuvor auch schon taten.

Ein Schwarzes Loch fängt ein zweites ein
„GW190521 verhält sich aber deutlich anders“, macht Rossella Gamba deutlich. Die Erstautorin der Publikation promoviert im Jenaer Graduiertenkolleg 2522 und gehört zu Bernuzzis Team. „Seine Morphologie und seine explosionsartige Struktur unterscheiden sich extrem von früheren Beobachtungen.“ Also machten sich Rossella Gamba und ihre Kollegen auf die Suche nach einer alternativen Erklärung für das außergewöhnliche Gravitationswellensignal. Mit einer Kombination aus modernsten analytischen Methoden und numerischen Simulationen auf Supercomputern berechneten sie unterschiedliche Modelle für die kosmische Kollision. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass diese statt auf einer quasi kreisförmigen auf einer stark exzentrischen Bahn erfolgt sein musste: Ein Schwarzes Loch bewegt sich dabei zunächst ungebunden in einer relativ dicht mit Materie gefüllten Umgebung und kann, sobald es in die Nähe eines anderen Schwarzen Loches gelangt, von dessen Gravitationsfeld „eingefangen“ werden. Auch dies führt zur Entstehung eines binären Systems, allerdings bewegen sich die beiden Schwarzen Löcher hier nicht kreisförmig, sondern exzentrisch, in taumelnden Bewegungen umeinander.

„Ein solches Szenario erklärt die Beobachtungen deutlich besser als jede andere bisher vorgestellte Hypothese. Die Wahrscheinlichkeit liegt bei 1:4300“, sagt Matteo Breschi, Doktorand und Koautor der Studie, der die Infrastruktur für die Analyse entwickelt hat. Und Postdoktorand Dr. Gregorio Carullo ergänzt: „Auch wenn wir derzeit noch nicht genau wissen, wie oft solche dynamischen Begegnungen von Schwarzen Löchern überhaupt vorkommen, rechnen wir nicht damit, dass sie häufig passieren.“ Das mache die aktuellen Ergebnisse umso spannender. Dennoch bedarf es noch weiterer Forschungsarbeit, um die Entstehungsprozesse von GW190521 zweifelsfrei aufzuklären.

Teamwork im Graduiertenkolleg
Für das aktuelle Projekt haben die Teams in Jena und Turin (im Rahmen des von der DFG geförderten Jenaer Graduiertenkollegs 2522 „Dynamics and Criticality in Quantum and Gravitational Systems”) einen allgemein-relativistischen Rahmen für die exzentrische Verschmelzung von Schwarzen Löchern entwickelt und die analytischen Vorhersagen mit Simulationen der Einsteinschen Gleichungen überprüft. Erstmals kamen bei der Analyse von Gravitationswellen-Beobachtungsdaten Modelle von dynamischen Begegnungen zum Einsatz.

Originalpublikation:
Gamba, R., Breschi, M., Carullo, G. et al.: GW190521 as a dynamical capture of two nonspinning black holes. Nat Astron (2022), doi.org/10.1038/s41550-022-01813-w, https://www.nature.com/articles/s41550-022-01813-w.

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• Gravitationswellen

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena 22. September 2022.

22. September 2022 – Prof. Langenhorst hatte schon Staub des Asteroiden Itokawa, Materie von Marsmeteoriten und interstellaren Staub, den die NASA-Sonde „Stardust“ im Weltall einsammelte, unter seinem Mikroskop. Seine Expertise als Meteoritenforscher machte ihn zuletzt zum Mitglied eines ausgesuchten internationalen Forschungsteams bei der Mission der Weltraumsonde „Hayabusa-2“ zum Asteroiden Ryugu. Unterm Transmissions-Elektronen-Mikroskop untersuchte der Jenaer Forscher in den Bruchstücken vom steinernen Kleinplaneten Minerale, die in astronomischen Dimensionen sehr konkrete Aussagen zur „Geburtsstunde“ des Asteroiden zulassen. Was dabei wann und wo in unserem Sonnensystem passierte, davon berichtet das „Stone“-Team jetzt erstmals in einem Artikel in „Science“.

Asteroiden enthalten wichtige Informationen über den Beginn unseres Sonnensystems
Sie sind manchmal nur etwas größer als ein Auto, manchmal aber auch sind es Gesteinsbrocken von einem und mehr Kilometern Durchmesser, die auf festen Bahnen die Sonne umkreisen. Die Rede ist von Asteroiden oder Planetoiden, von denen Millionen in unserem Sonnensystem ihre Bahnen ziehen. 90 Prozent davon sind im sogenannten Asteroidengürtel zwischen den Planeten Jupiter und Mars unterwegs, einige jedoch kommen der Sonne und damit auch der Erde viel näher. Zu den sogenannten erdnahen Asteroiden gehört auch „Ryugu“, ein Gesteinsbrocken von rund einem Kilometer Durchmesser, der einem auf einer Ecke stehenden Pflasterstein ähnelt. Für seinen Flug um die Sonne in einer Entfernung von 0,96 bis 1,42 Astronomischen Einheiten braucht er 474,5 Tage und kreuzt dabei auch die Erdumlaufbahn. Das macht ihn zu einem besonders interessanten Forschungsobjekt für die Astrowissenschaft.

„Himmelskörper wie Asteroiden, beziehungsweise die von ihnen stammenden Meteoriten, sind so faszinierend, weil sie uns einzigartige Informationen über die Anfänge unseres Sonnensystems liefern“, sagt Langenhorst. Der Professor für Analytische Mineralogie der Mikro- und Nanostrukturen an der Universität Jena ist seit langem damit beschäftigt, Materie aus dem Weltall bis ins kleinste Detail zu analysieren, um die Prozesse bei der Entstehung und Formierung unseres Sonnensystems aufklären zu helfen.

Jenaer Expertise für Meteoriten und Asteroiden
Er war schon 2006 an der „Sternenstaub“- (Stardust)-Mission der NASA zu einem Kometen beteiligt. Langenhorsts Expertise als Astro-Mineraloge war auch gefragt bei der 2003 gestarteten ersten Mission einer japanischen Raumsonde zum Asteroiden Itokawa. Die Sonde wurde nach dem scharfsichtigen Wanderfalken „Hayabusa“ benannt. Der Jenaer gehörte zu dem internationalen Team, das den extraterrestrischen Staub von der Itokawa-Oberfläche untersuchte, den die Sonde 2010 zur Erde gebracht hatte. „Material in der Hand zu halten, das von einem Himmelskörper stammt, der seit Jahrmillionen seine Bahn im Weltall zieht, ist schon faszinierend“, gesteht Langenhorst. Diesen Staubkörnern ihr Geheimnis zu entlocken, treibe ihn immer wieder aufs Neue an.

Seine Mitwirkung im Forschungsteam der Hayabusa-2-Mission wurde nun wieder von den japanischen Kollegen angefragt. 2014 bestimmte die Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) den Asteroiden Ryugu als Ziel ihrer Hayabusa-2-Mission. Die Raumsonde erreichte nach mehrjährigem Flug den Kleinplaneten Ryugu und schickte 2018 nicht nur erstaunliche Fotos von dem Himmelskörper zur Erde, sondern brachte zwei Jahre später auch Gesteinsmaterial von dort mit zurück. „Während Hayabusa 1 aufgewirbelten Staub eingesammelt hatte, dessen größtes Korn etwa 0,3 Millimeter klein war, brachte die Sonde diesmal zahlreiche, mehrere Millimeter große Bruchstücke von Ryugu zur Erde“, erklärt Langenhorst. Seine Aufgabe war es, die Minerale in den Gesteinsbruchstücken von Ryugu zu identifizieren und die Verteilung der chemischen Elemente darin zu analysieren.

Asteroid Ryugu ist kein kompakter Felsbrocken, sondern ein Scherbenhaufen
„Dabei arbeitete ich mit einem Transmissions-Elektronen-Mikroskop, das mit einer Auflösung von unter einem Nanometer erstaunliche Details des Materials offenbarte“, erklärt er. „So haben wir festgestellt, dass Ryugu ein sogenannter ,Schutthaufen-Asteroid‘ ist, auf Englisch ,Rubble Pile‘. Das Gestein ist nicht kompakt, sondern besteht aus unzähligen, quasi zusammengebackenen Gesteinsscherben“, beschreibt Langenhorst seine Beobachtungen. Das lasse den Rückschluss zu, dass der heutige Asteroid Ryugu sich erst aus den Trümmern eines Einschlags auf einem ursprünglich deutlich größeren Ur-Asteroiden zusammengeballt hatte.

Die Kristallstruktur und Zusammensetzung der Minerale sind ein Archiv der Asteroiden-Kinderstube
Die Forscher fanden auch Belege dafür, dass die „Kinderstube“ von Ryugu nicht im zentrumsnahen Bereich unseres Sonnensystems gelegen hat, wo sich der Asteroid heute bewegt, sondern im äußeren Bereich des Sonnensystems. „Dort herrschen Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt, dabei kondensieren Wasser und andere leichte Moleküle wie Methan und Ammoniak zu Eisen und ballen sich mit Mineralstaub zu ´dreckigen Schneebällen´ zusammen, den Kometen. Da jedoch in der Frühphase des Sonnensystems auch kurzlebige radioaktive Elemente beteiligt waren, erwärmte sich Ryugu relativ schnell nach der Zusammenballung, sodass das Eis schmolz und Mineralreaktionen einsetzten“, erklärt Langenhorst. Denkbar sei, dass Ryugu also früher ein Komet war. Bei seiner Annäherung an die Sonne sei das Wasser gewissermaßen verdunstet und der feste Staub blieb übrig.

Wasser und organische Materie in den Asteroiden-Trümmern gefunden
Das Hayabusa-2-Team machte dazu neue Entdeckungen. Einer seiner Kollegen entdeckte in einem Staubkorn vom Asteroiden einen Wassereinschluss, der neben Kohlensäure und Salz auch organische Moleküle enthielt. Andere fanden ein tausendstel Millimeter kleine Kügelchen organischen Materials im außerirdischen Gestein.

Vergleichbares kannte man aus Untersuchungen an einem Meteoriten namens Ivuna, der 1938 in Tansania gefunden wurde, und der in die Gruppe der kohligen Chondrite gehört. „Ivuna ist unserem Ryugu zum Verwechseln ähnlich“, berichtet er. Die kohligen Chondrite, so erklärt der Wissenschaftler, seien die ältesten Gesteine unseres Sonnensystems. „Als Urmaterie geben sie am besten die Zusammensetzung unseres Sonnensystems wieder.“

Die neuen Erkenntnisse über Evolution und Diversität der Minerale und anderen Bestandteile der Ryugu-Bodenproben versetzen die Forscher jetzt in die Lage, Aussagen über die Zeit zu treffen, in der der Asteroid entstand und sich entwickelte. „Wir vermuten, dass Ryugu von einem älteren großen Asteroiden abstammt. Dieser Ur-Asteroid bildete sich innerhalb von nur zwei Millionen Jahren nach der Geburt des Sonnensystems in dessen äußerem Bereich, wo Wasser und andere Moleküle als Eis vorhanden waren. Unter radioaktiver Erwärmung schmolz das Eis, wobei sich in diesem Prozess der aquatischen Alteration neue Minerale wie Schichtsilikate, Carbonate und Eisenoxide im Ur-Asteroiden kristallisierten. All diese Prozesse waren nach nur etwa fünf Millionen Jahren beendet. Danach kam es zu der kosmischen Kollision, bei der Teile des Ur-Asteroiden abgesprengt wurden, aus denen sich der neue Asteroid Ryugu formte“, fasst Langenhorst die Ergebnisse des Forschungsteams zusammen.

„Auch wenn wir Prozesse aus der Frühzeit unseres Sonnensystems immer besser aufklären, so ist es wohl unwahrscheinlich, die Rätsel um den Beginn unseres Sonnensystems je vollständig lösen zu können“, räumt er ein. Dass er aktuell an weiteren astro-mineralogischen Themen arbeitet, zeigt jedoch, dass man sich da nicht ganz sicher sein sollte.

Original publication
Nakamura et al., „Formation and evolution of carbonaceous asteroid Ryugu: Direct evidence from return samples“, Science (2022), DOI: https://doi.org/10.1126/science.abn8671,
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn8671.

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

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena, Verfasser/in: Ute Schönfelder.

17. März 2022 – Sie gehören zu den extremsten und komplexesten Ereignissen des Universums: Kollisionen von Neutronensternen. Verschmelzen zwei dieser hochkompakten und massereichen Himmelskörper, wird die Raumzeit enorm verzerrt; die Materie erreicht Dichten und Temperaturen, die in keinem Laborexperiment reproduzierbar sind. Bei der Kollision werden hochenergetische Strahlung und Materie in den Weltraum geschleudert. Sie ist so heftig, dass sie von der Erde aus – selbst über Millionen Lichtjahre hinweg – sowohl als Gravitationswellen als auch als Licht beobachtet werden kann.

„Solche Ereignisse sind einzigartige astrophysikalische Laboratorien“, sagt Prof. Dr. Sebastiano Bernuzzi von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Der 40-jährige Forscher und sein Team vom Theoretisch-Physikalischen Institut entwickeln theoretische Modelle, mit denen sich die Dynamik solcher kosmischer Kollisionen nachvollziehen und Beobachtungsdaten erst erklären lassen. Für sein aktuelles Forschungsvorhaben „InspiReM“ wird Sebastiano Bernuzzi vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) mit einem sogenannten „Consolidator Grant“ gefördert und erhält dafür in den kommenden fünf Jahren knapp zwei Millionen Euro.

„Es ist das ambitionierteste Projekt meiner bisherigen wissenschaftlichen Karriere“, sagt Bernuzzi, der 2017 bereits mit einem ERC „Starting Grant“ gefördert wurde. Er fühle sich geehrt, dass sein Projekt nun zu den ausgewählten Vorhaben gehöre, denen der ERC die wichtigste Förderung und zugleich höchstdotierte Auszeichnung der EU für Spitzenforschende vergibt. „Ich bin begeistert und zugleich entschlossen, meine Forschung auf dem höchstmöglichen Level voranzutreiben.“

Mit Hilfe von Einsteins Relativitätstheorie Gravitations- und elektromagnetische Wellen vorhersagen
Bernuzzis Arbeitsgruppe an der Universität Jena gehört schon jetzt zu den führenden auf dem Gebiet der numerischen Simulation von Neutronensternverschmelzungen. Die Forschenden nutzen dafür die größten Supercomputer Deutschlands, etwa am Leibniz Supercomputing Centre (München) und an der HRLS (Stuttgart), um mit Hilfe von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie detaillierte Vorhersagen für Gravitationswellen und elektromagnetische Beobachtungen zu machen, die von solchen Ereignissen ausgehen. „Indem wir simulieren, was mit der Raumzeit während der Verschmelzung der Sterne passiert, können wir detaillierte Modelle für die Interpretation der Strahlung erstellen, die wir beobachten“. Erst kürzlich war Bernuzzi als Teil eines internationalen Teams an der Analyse von Daten beteiligt, die das NASA-Röntgenobservatorium „Chandra“ bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne im Objekt GW170817 aufgenommen hat.

Mit dem Projekt InspiReM („Modeling binary neutron star from inspirals to remnants and their multimessenger emissions”) wollen sich Bernuzzi und sein Team nicht nur auf Gravitationswellen konzentrieren, sondern auch die Überreste vergangener Sternverschmelzungen und die von ihnen ausgehenden Materialausströmungen untersuchen. Die Bedingungen in diesen Ausströmungen sind einzigartig – dort entstehen schwere Elemente, wie Gold oder Uran.

Mit der ERC-Förderung kann Bernuzzi sein Team jetzt mit den besten Forschenden aus der ganzen Welt verstärken. Ein Teil der Gelder soll auch in weitere Hochleistungsrechentechnik für das Universitätsrechenzentrum fließen, ohne die seine komplexen Simulationen nicht möglich wären.

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena.

28. Februar 2022 – Ein internationales Forschungsteam hat möglicherweise den „Schallknall“ einer sogenannten Kilonova entdeckt. So bezeichnet man die gewaltige Explosion, die entsteht, wenn zwei Neutronensterne miteinander kollidieren. Die Kilonova „GW170817“ im Sternbild Hydra ist das erste Objekt überhaupt, bei dem sowohl Gravitationswellen als auch elektromagnetische Strahlung gemessen werden konnten. Seinen Namen trägt „GW170817“, weil es am 17. August 2017 entdeckt wurde: Die Laser-Interferometer LIGO (in den USA) und Virgo (in Italien) haben an diesem Tag die Gravitationswellen registriert, die mit einem Ausbruch von Gammastrahlen zusammenfielen.

Seitdem haben Astronomen Teleskope auf der ganzen Welt und im Weltraum auf GW170817 gerichtet und untersuchen seine Strahlung im gesamten elektromagnetischen Spektrum. Chandra ist dabei das einzige Observatorium, das mehr als vier Jahre nach dem Ereignis immer noch Strahlung registrieren kann, die von dieser außergewöhnlichen kosmischen Kollision stammt. „Die unmittelbaren Folgen einer Neutronensternverschmelzung untersuchen zu können, ist absolutes Neuland“, sagt Aprajita Hajela von der Northwestern University (USA), die die aktuelle Studie von GW170817 mit Chandra geleitet hat.

Verschmolzene Neutronensterne strahlen Materie-Jet ab
Bisher gehen Astronomen davon aus, dass nach der Verschmelzung von Neutronensternen deren Trümmer sichtbares und infrarotes Licht abstrahlen, das beim Zerfall radioaktiver Elemente entsteht. Dieser Lichtausbruch wird als Kilonova bezeichnet. Im Fall von GW170817 konnten tatsächlich auch sichtbares Licht und Infrarotstrahlung mehrere Stunden nach den Gravitationswellen entdeckt werden. Im Röntgenspektrum sah die Neutronensternverschmelzung allerdings ganz anders aus: Unmittelbar nach der Entdeckung von GW170817 richtete Chandra seinen „Röntgenblick“ auf das Objekt und registrierte – nichts. Erst mehrere Tage später, am 26. August 2017, konnte Chandra GW170817 als punktförmige Röntgenstrahlungsquelle ausmachen.

Diesen Umstand erklären die Forschenden damit, dass die verschmolzenen Neutronensterne einen schmalen „Jet“ aus hochenergetischen Teilchen abstrahlen, der „off-axis“, also nicht direkt auf die Erde ausgerichtet ist. Sie vermuten, dass Chandra den schmalen Jet ursprünglich von der Seite beobachtete und daher unmittelbar nach der Entdeckung der Gravitationswellen noch keine Röntgenstrahlen sah. Im Laufe der Zeit verlangsamte sich jedoch das abgestrahlte Material und der Jet-Kegel verbreiterte sich, da er auf umgebende Materie prallte. Dies führte dazu, dass sich der Kegel des Jets immer mehr in die direkte Sichtlinie von Chandra ausdehnte und so die Röntgenstrahlung gemessen werden konnte.

Kosmisches Nachglühen oder neues Schwarzes Loch
Seit Anfang 2018 wurde die von dem Jet verursachte Röntgenstrahlung immer schwächer, da sich der Jet weiter verlangsamte und ausdehnte. Hajela und ihr Team stellten dann jedoch fest, dass der Helligkeitsrückgang ab März 2020 bis Ende 2020 stoppte und die Strahlung in diesem Zeitraum konstant blieb. „Etwas anderes als der Jet selbst muss dafür verantwortlich sein“, sagt Koautorin Raffaella Margutti von der University of California in Berkeley (USA).

Eine mögliche Erklärung für diese neue Röntgenstrahlungsquelle war, dass die sich ausdehnenden Trümmer der Verschmelzung einen „Schock“ erzeugt haben, ähnlich dem Überschallknall eines Überschallflugzeugs. Dieser Schock erhitzt Material, das selbst Strahlung erzeugt und als Kilonova-Nachglühen bezeichnet wird. Eine alternative Erklärung wäre, dass die zusätzlichen Röntgenstrahlen von Material stammen, das in ein Schwarzes Loch fällt, welches sich nach der Verschmelzung der Neutronensterne gebildet haben müsste. „Dies wäre entweder das erste Mal, dass wir ein Kilonova-Nachglühen sehen oder das erste Mal, dass wir Material sehen, das nach einer Neutronensternverschmelzung auf ein Schwarzes Loch fällt“, sagt Koautor Joe Bright, ebenfalls von der University of California in Berkeley.

Simulationen und Einsteins Relativitätstheorie können die Beobachtungen erklären
Um zu ermitteln, welche der beiden Erklärungen zutreffend ist, müssen die Astronomen GW170817 weiterhin beobachten und neben den Röntgenstrahlen auch mögliche Radiowellen messen. Wenn es sich um ein Kilonova-Nachglühen handelt, wird die Radioemission voraussichtlich mit der Zeit heller werden. Handelt es sich dagegen um Materie, die auf ein neu entstandenes Schwarzes Loch fällt, dann sollte die Röntgenstrahlung konstant bleiben oder schnell abnehmen und es wird keine Radioemission auftreten.

Hier kommen nun Prof. Dr. Sebastiano Bernuzzi und der ehemalige Doktorand Vsevolod Nedora von der Universität Jena ins Spiel, die beide Koautoren der aktuellen Publikation sind. Sie haben die Massenausflüsse, von denen das Kilonova-Signal ausgeht, in einem großen Satz von Simulationen, die speziell auf GW170817 ausgerichtet sind und neueste mikrophysikalische Modelle beinhalten, analysiert. Sie berechneten das zu erwartete Kilonova-Nachleuchten und konnten eine Übereinstimmung mit den Chandra-Beobachtungen feststellen. „Die enge Zusammenarbeit von astronomisch und theoretisch arbeitenden Teammitgliedern war der Schlüssel zur Identifizierung der möglichen Szenarien für den Ursprung der späten Röntgenemission von GW170817“, betont Sebastiano Bernuzzi.

Dennoch ist weitere Forschung und Beobachtung von GW170817 notwendig und könnte so Koautorin Kate Alexander, ebenfalls von der Northwestern University, weitreichende neue Erkenntnisse liefern. „Der Nachweis eines Kilonova-Nachleuchtens würde bedeuten, dass bei der Verschmelzung nicht sofort ein Schwarzes Loch entstanden ist. Alternativ könnte dieses Objekt den Astronomen die Möglichkeit bieten, zu untersuchen, wie Materie einige Jahre nach der Entstehung eines Schwarzen Lochs auf dieses fällt.“ Kürzlich ist bei neuen Chandra-Beobachtungen weitere Strahlung entdeckt worden, Radiowellen in Verbindung mit der aufkommenden Röntgenstrahlung sind bisher aber nicht gemessen worden.

Originalpublikation
Hajela, A. et al.: The emergence of a new source of X-rays from the binary neutron star merger GW170817
The Astrophysical Journal Letters

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• Gravitationswellen

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena.

10. Februar 2022 – Forscher der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Max-Planck-Instituts für Astronomie haben auf der Suche nach dem Ursprung des Lebens eine neue Spur entdeckt: Sie konnten zeigen, dass unter Bedingungen, wie sie im Weltall herrschen, Peptide auf Staub entstehen können. Diese Moleküle, die einer der Grundbausteine allen Lebens sind, sind also vielleicht gar nicht auf unserem Planeten entstanden, sondern womöglich in kosmischen molekularen Wolken.

Ketten aus Aminosäuren
Alles Leben, wie wir es kennen, besteht aus den gleichen chemischen Bausteinen. Dazu gehören Peptide, die im Körper völlig unterschiedliche Funktionen übernehmen: Sei es, um Stoffe zu transportieren, Reaktionen zu beschleunigen oder um in Zellen stabilisierende Gerüste zu bilden. Peptide bestehen aus einzelnen Aminosäuren, die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind. Die genaue Reihenfolge entscheidet darüber, welche Eigenschaften das Peptid am Ende besitzt.

Wie diese vielseitigen Biomoleküle entstanden sind, ist eine der Fragen nach dem Ursprung des Lebens. Dass dieser Ursprung außerirdischer Natur sein kann, zeigen Aminosäuren, Nukleobasen und verschiedene Zucker, die etwa in Meteoriden gefunden wurden. Damit aber aus einzelnen Aminosäure-Molekülen ein Peptid entsteht, braucht es ganz spezielle Bedingungen, die bislang eher auf der Erde vermutet wurden.

Für den ersten Schritt muss Wasser da sein, für den zweiten Schritt darf kein Wasser da sein.
„Bei dem herkömmlichen Weg, auf dem Peptide entstehen, spielt Wasser eine wichtige Rolle“, erklärt Dr. Serge Krasnokutski vom Astrophysikalischen Labor des Max-Planck-Instituts für Astronomie an der Universität Jena. Hierbei verbinden sich einzelne Aminosäuren zu einer Kette. Damit das geschieht, muss jeweils ein Wassermolekül entfernt werden. „Unsere quantenchemischen Berechnungen zeigten nun, dass die Aminosäure Glycin entstehen kann, indem sich eine chemische Vorstufe – ein sogenanntes Aminoketen – mit einem Wassermolekül verbindet. Vereinfacht zusammengefasst: In diesem Fall muss für den ersten Reaktionsschritt Wasser dazugegeben werden, für den zweiten muss Wasser entfernt werden.“

Mit dieser Erkenntnis konnte das Team um den Jenaer Wissenschaftler nun einen Reaktionsweg nachweisen, der unter kosmischen Bedingungen ablaufen kann und dabei ohne Wasser auskommt. „Anstatt den chemischen Umweg zu gehen, in dem die Aminosäuren gebildet werden, wollten wir herausfinden, ob nicht stattdessen die Aminoketen-Moleküle entstehen und diese sich direkt zu Peptiden verbinden können“, beschreibt der Physiker die Grundidee der Arbeit, die nun im Fachjournal Nature Astronomy veröffentlicht wurde. Er ergänzt: „Und zwar unter den Bedingungen, wie sie in kosmischen molekularen Wolken herrschen: Also auf Staubpartikeln im Vakuum, bei denen die entsprechenden Chemikalien anwesend sind und dort reichlich vorkommen: Kohlenstoff, Ammoniak und Kohlenstoffmonoxid.“

In einer Ultrahochvakuum-Kammer wurden Substrate, die als Modell für die Oberfläche von Staubpartikeln dienen zusammen mit Kohlenstoff, Ammoniak und Kohlenmonoxid bei etwa einem Billiardstel des normalen Luftdrucks und Minus 263 Grad Celsius zusammengebracht. „Untersuchungen zeigten, dass unter diesen Bedingungen aus den einfachen Chemikalien das Peptid Polyglycin entstanden ist,“ fasst Krasnokutski das Ergebnis zusammen. „Hierbei handelt es sich also um Ketten aus der sehr einfachen Aminosäure Glycin, wobei wir verschiedene Längen beobachtet haben. Die längsten Exemplare bestanden aus elf Einheiten der Aminosäure.“

Auch das vermutete Aminoketen konnte das Team in diesem Experiment nachweisen. „Dass die Reaktion bei derart niedrigen Temperaturen überhaupt ablaufen kann, liegt daran, dass die Aminoketen-Moleküle extrem reaktiv sind. Sie verbinden sich miteinander in einer effektiven Polymerisation. Das Produkt ist dann Polyglycin.“

Quantenmechanischer Tunneleffekt könnte eine Rolle spielen
„Dass die Polymerisation von Aminoketen unter solchen Bedingungen so einfach passieren kann, war dennoch überraschend für uns,“ sagt Krasnokutski. „Denn dazu muss eigentlich eine Energiebarriere überwunden werden. Allerdings kann es sein, dass uns ein besonderer Effekt der Quantenmechanik dabei zugutekommt. Denn in diesem speziellen Reaktionsschritt wechselt ein Wasserstoffatom seinen Platz. Dieses ist jedoch so klein, dass es als Quantenteilchen die Barriere nicht überwinden, sondern durch den Tunneleffekt gewissermaßen einfach durchqueren könnte.“

Jetzt wo klar ist, dass nicht nur Aminosäuren, sondern auch Peptidketten unter kosmischen Bedingungen entstehen können, müssen wir also bei der Erforschung des Ursprungs des Lebens möglicherweise nicht nur auf die Erde, sondern auch mehr ins Weltall blicken.

Original-Publikation:
S. A. Krasnokutski, K.-J. Chuang, C. Jäger, N. Ueberschaar, Th. Henning, „A pathway to peptides in space through the condensation of atomic carbon“, Nature Astronomy (2022), DOI: https://www.nature.com/articles/s41550-021-01577-9

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• Leben im Universum

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Abhörsichere Kommunikation ist eines der weltweit viel diskutierten Themen. Mit Hilfe neuartiger Quantentechnologien könnte die Sicherheit zukünftig erhöht werden. Dieser Thematik hat sich ein Forschungsteam um Dr. Tobias Vogl von der Friedrich-Schiller-Universität Jena angenommen. Sein Projekt „QuVeKS – Quantenprozessoren für verschlüsselte Kommunikation mit Satelliten“ hat das Team beim diesjährigen Wettbewerb der Initiative „INNOspace“ des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) eingereicht und damit den mit 400.000 Euro dotierten „INNOspace Masters Award“ der „DLR Challenge“ gewonnen.

Quantenarchitektur auf einem Chip

Quantentechnologien bieten ein großes Potenzial und sind damit eine vielversprechende Zukunftsvision. „Die bisher erforschten Quantensysteme sind sehr anwendungsspezifisch. Sie lassen sich oft nicht vernetzen und sind nicht kompatibel“, merkt Tobias Vogl vom Institut für Angewandte Physik der Universität Jena über den aktuellen Entwicklungsstand an. Der Physiker befasst sich deshalb seit Beginn seiner Dissertation 2016 mit der Anwendung von Quantentechnologien. Nun hat das Forschungsteam einen entscheidenden Fortschritt gemacht. Gemeinsam mit dem CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH in Erfurt erarbeiten die Forschenden aus Jena einen universell einsetzbaren Quantenschaltkreis. Ihr Ziel ist es, die komplette Architektur der Quantenlogik – bestehend aus Quantenlichtquellen, Wellenleitertechnologie und Quantendetektoren – auf einem kompakten Chip zu vereinen.

Großes Zukunftspotenzial und vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Mit dem großen Zukunftspotenzial ihres Projektes konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der „DLR Challenge“ überzeugen. Der Chip lässt sich frei programmieren und kann dadurch für verschiedenste Anwendungen eingesetzt werden. „Ein solcher Quantenschaltkreis kann etwa in der Quantenkryptografie verwendet werden und damit die Verschlüsselung von Kommunikation sicherer und besser machen“, erläutert Vogl. Denn Quantenzustände können weder kopiert noch exakt ausgelesen werden, ergänzt sein Kollege Dr. Falk Eilenberger. „Ein solcher Quantenschaltkreis könnte zukünftig für die verschlüsselte Kommunikation von und mit Satelliten eingesetzt werden“, veranschaulicht Tobias Vogl und betont die erhöhte Leistungsfähigkeit, die ein Quantenschaltkreis mit sich bringt. Der Chip kann auch als physikalisch sicherer Zufallsgenerator genutzt werden, nennt der Jenaer Physiker ein weiteres potenzielles Einsatzgebiet.

Zum Projektteam gehören neben Dr. Tobias Vogl auch Kim Lammers, Dr. Falk Eilenberger und Prof. Dr. Stefan Nolte vom Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF. Ergänzt wird das Team durch Dr. Martin Jahn und Dr. Christian Möller vom CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH.

Das Preisgeld in Höhe von 400.000 Euro wird das Forschungsteam in die weitere Entwicklung ihres Vorhabens fließen lassen. Neben den laufenden Kosten für die Forschung sollen zudem Stellen für Doktorandinnen und Doktoranden geschaffen werden. Die Auszeichnung bestätigt auch die kürzlich getroffene Entscheidung, den „Quantum Hub Thüringen“ zu gründen, um den Standort zu einem wichtigen Zentrum der Quantenforschung und –industrie zu entwickeln. „Die gute Vernetzung innerhalb Thüringens hat maßgeblich zum Erfolg des Projektes beigetragen“, so Vogl.

Über den INNOspace Masters Award

Der INNOspace Masters Award wird jährlich von der Initiative INNOspace des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) vergeben. Der Preis zeichnet innovative Ideen und Konzepte aus, die Technologien, Prozesse und Anwendungen verbessern, basierend auf Wissens- und Technologietransfer durch den Austausch von Wissen zwischen der Raumfahrt und anderen Bereichen.
In diesem Jahr wurden Themen der digitalen Nachhaltigkeit und der Sicherheit im All (etwa sichere Kommunikationsservices, Schutz vor Cyber-Attacken) sowie ressourcensparende Ansätze im All und auf der Erde gesucht.

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• Quantenkommunikation im Weltraum?

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Ist unsere Erde der einzige bewohnte Planet im Universum? Oder gibt es irgendwo da draußen vielleicht noch weitere lebensfreundliche Orte – und wenn ja, wie könnten sie aussehen? Um diese fundamentalen Fragen zu beantworten, suchen Wissenschaftler den Himmel nach Exoplaneten ab – fernen Welten, die außerhalb unseres Sonnensystems um andere Sterne kreisen. Über 4.000 Exoplaneten sind bisher bekannt, die meisten im Orbit um Einzelsterne wie unsere Sonne.

Nun sind vom Jenaer Astrophysiker Dr. Markus Mugrauer zahlreiche neue Mehrfachsternsysteme entdeckt und charakterisiert worden, in denen Exoplaneten vorkommen. Die Funde bestätigen Annahmen, wonach das Vorhandensein mehrerer Sterne den Entstehungs- und Entwicklungsprozess von Planeten beeinflusst. Die Studie von Dr. Markus Mugrauer vom Astrophysikalischen Institut und Universitäts-Sternwarte der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist heute im renommierten Fachmagazin „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ erschienen.

Weltraumteleskop liefert präzise Daten
„Mehrfachsternsysteme kommen in unserer Milchstraße sehr häufig vor“, erklärt Dr. Markus Mugrauer. „Wenn solche Systeme Planeten besitzen, so sind sie für die Astrophysik von besonderem Interesse, weil sich die Planetensysteme darin fundamental von unserem Sonnensystem unterscheiden können.“ Um mehr über diese Unterschiede zu erfahren, suchte der Jenaer Astrophysiker mehr als 1.300 bekannte Sterne, bei denen Exoplaneten gefunden wurden, nach Begleitsternen ab. Dabei griff er auf die präzisen Beobachtungsdaten des Weltraumteleskops Gaia zurück, das von der Europäischen Weltraumagentur ESA betrieben wird.

Auf diese Weise gelang es ihm, bei Planetenmuttersternen mit bis zu 1.600 Lichtjahren Abstand zur Sonne insgesamt rund 200 Begleitsterne nachzuweisen. Mithilfe der Daten konnte Mugrauer die entdeckten Begleitsterne und ihre Systeme zudem näher beschreiben: Es existieren sowohl enge Systeme mit Abständen von nur 20 Astronomischen Einheiten (AE) – was in unserem Sonnensystem in etwa der Distanz zwischen Sonne und Uranus entspricht – als auch Systeme, deren Sterne über 9.000 AE voneinander entfernt liegen.

Rote und Weiße Zwerge
Unterschiedlich beschaffen sind die Begleitsterne auch hinsichtlich ihrer Massen, Temperaturen und Entwicklungsstadien. Die schwersten von ihnen wiegen das 1,4-fache unserer Sonne, die leichtesten verfügen hingegen nur über acht Prozent der Sonnenmasse. Bei den meisten Begleitsternen handelt es sich um massearme, kühle und schwach rötlich leuchtende Zwergsterne.

Unter den leuchtschwachen Objekten wurden aber auch acht Weiße Zwerge identifiziert. Als Weißen Zwerg bezeichnet man den ausgebrannten Kern eines sonnenähnlichen Sterns, der zwar nur ungefähr so groß ist wie unsere Erde, dafür aber halb so schwer wie unsere Sonne. Diese Beobachtungen zeigen, dass Exoplaneten die finale Entwicklungsphase eines nahen sonnenähnlichen Sterns durchaus überleben können.

Doppel-, Dreifach- und Vierfachsternsysteme mit Exoplaneten
Bei der Mehrzahl der in der Studie nachgewiesenen Sternsysteme mit Exoplaneten handelt es sich um Doppelsterne. Es konnten aber auch rund zwei Dutzend hierarchische Dreifachstern- und sogar ein Vierfachsternsystem detektiert werden. Im untersuchten Abstandsbereich zwischen ca. 20 und 10.000 AE verfügen insgesamt 15 Prozent der untersuchten Sterne über mindestens einen Begleitstern. Diese Häufigkeit ist nur etwa halb so groß, wie sie bei sonnenähnlichen Sternen im Allgemeinen erwartet wird. Zudem weisen die detektierten Begleitsterne einen ca. fünfmal größeren Abstand auf als gewöhnliche Systeme.

„Beides zusammen könnte darauf hinweisen, dass der Einfluss mehrerer Sterne in einem Sternsystem den Entstehungsprozess von Planeten sowie die weitere Entwicklung ihrer Umlaufbahnen stört“, so Mugrauer. Ursache dafür sei zunächst die gravitative Wechselwirkung der Begleitsterne auf die Gas- und Staubscheiben, in denen Planeten entstehen. Später stören dann die Begleitsterne durch ihr Schwerefeld die Bewegung der Planeten um ihre Muttersterne herum.

Markus Mugrauer möchte das Projekt fortführen. Auch künftig soll die sogenannte Multiplizität neu entdeckter Planetenmuttersterne mit den Daten der Gaia-Mission untersucht und detektierte Begleitsterne genau charakterisiert werden. „Zudem werden wir die Resultate mit den Ergebnissen einer internationalen Beobachtungskampagne kombinieren, die wir aktuell zum selben Thema am Paranal-Observatorium der Europäischen Südsternwarte in Chile durchführen“, ergänzt der Jenaer Experte. „Damit können wir dann den genauen Einfluss der stellaren Multiplizität auf die Entstehung und Entwicklung von Planeten untersuchen.“

Original-Publikation
Mugrauer, Markus: Search for stellar companions of exoplanet host stars by exploring the second ESA-Gaia data release.

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• Exoplaneten

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

Am 21. September 2012 entdeckten die beiden Amateurastronomen Witali Njewski und Artjom Nowitschonok mit einem der zehn Teleskope des International Scientific Optical Network (ISON) einen Kometen, welcher sich zu diesem Zeitpunkt in einer Entfernung von etwa 950 Millionen Kilometern zu der Sonne befand und der sich auf dem Weg in das innere Sonnensystem befand.

Dieser mit dem Namen C/2012 S1 (ISON) versehene Komet gehört zu den langperiodischen Kometen, welche sich auf extrem langgestreckten Umlaufbahnen um die Sonne bewegen. Er stammt somit sehr wahrscheinlich aus der Oortschen Wolke – einem Bereich des äußersten Sonnensystems, welcher vermutlich die Heimat von mehreren 100 Milliarden Kometen darstellt. Durch gravitative Störungen werden die Umlaufbahnen der dort befindlichen Kometen gelegentlich verändert, wodurch einige von ihnen in das innere Sonnensystem abgelenkt werden können. Die dabei erreichten Umlaufperioden dieser Kometen können dann von einigen zehntausend Jahren bis hin zu mehreren Millionen Jahren betragen.

Die bisherigen Berechnungen der Umlaufbahn von C/2012 S1 (ISON) haben ergeben, dass der Komet sich jetzt – mehr als 4,5 Milliarden Jahre nach seiner Entstehung – möglicherweise zum ersten Mal dem inneren Bereich unseres Sonnensystems nähert. Aus diesem Grund gehen die Kometenforscher davon aus, dass der Kern von C/2012 S1 (ISON) noch über seine ursprüngliche Oberflächenzusammensetzung verfügt, welche große Mengen an leichtflüchtigen Stoffen wie gefrorenes Kohlendioxid oder Wassereis enthalten dürfte. Die Untersuchung dieser Zusammensetzung, so die Erwartung der Wissenschaftler, dürfte tiefere Einblicke in die Frühzeit unseres Sonnensystems ermöglichen und verschiedene bisher ungeklärte Fragen – vom Ursprung des Lebens auf der Erde bis zur frühen Entwicklung unseres Sonnensystems – beantworten. Aus diesem Grund stellt dieser Komet nicht nur für Amateurastronomen, sondern auch für professionelle Wissenschaftler ein interessantes Beobachtungsziel dar und befindet sich dementsprechend derzeit unter einer dauerhaften Beobachtung.

Während seiner Anflugphase auf das innere Planetensystem zeigte der Komet ISON bereits eine starke Helligkeits- und Gasentwicklung. Dies lässt darauf schließen, dass derzeit vorrangig gefrorenes Kohlendioxid verdampft. Zudem wird wahrscheinlich Kohlenmonoxid freigesetzt. Seit dem Sommer 2013 verdampft zunehmend auch gefrorenes Wasser.

Am Abend des 1. Oktober 2013 passierte der Komet C/2012 S1 (ISON) unseren äußeren Nachbarplaneten, den Mars, in einer Entfernung von rund 10,8 Millionen Kilometern. Diese nahe Passage wurde genutzt, um mit verschiedenen derzeit aktiven Marsorbitern und Marsrovern Beobachtungen durchzuführen. Zumindest die Raumsonde Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) war dabei erfolgreich (Raumfahrer.net berichtete).

Der Komet hat die Umlaufbahn des Mars mittlerweile passiert und nähert sich der Sonne weiter an. Aufgrund der dabei stetig steigenden Temperaturen wird in den kommenden Wochen auch die Aktivität des Kometen zunehmen, was sich in der Ausbildung einer immer größeren Koma und eines immer länger werdenden Kometenschweifes zeigen wird. Am 28. November 2013 wird der Komet auf seiner Umlaufbahn schließlich die dichteste Annäherung an das Zentralgestirn unseres Sonnensystems erreichen und die Sonne in einer Entfernung von lediglich rund 1,8 Millionen Kilometern passieren.

„In dieser Entfernung wird die Temperatur an der Oberfläche des Kometen bis zu 2.000 Grad Celsius erreichen“, so der Kometenforscher Dr. Hermann Böhnhardt vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) im niedersächsischen Katlenburg-Lindau. Winzige Staubteilchen an der Kometenoberfläche könnten verglühen und sogar Material, welches normalerweise tief im Inneren des Kometenkerns gebunden sind, könnte verdampfen. Dadurch bedingt könnte der Druck innerhalb des Kerns des Kometen so stark ansteigen, dass der Komet zerbricht.

Für Kometenforscher wäre dieses Szenario bei weitem nicht die schlechteste Variante. Zwar hoffen viele Hobbyastronomen, dass der Komet C/2012 S1 (ISON) die Sonne unbeschadet passiert und in den darauf folgenden Tagen und Wochen einen spektakulären Schweif ausbildet. Doch falls der Kometenkern zerbricht, würden einzelne Bruchstücke den Blick auf das Innere des Körpers freigeben, welches ansonsten verborgen bleiben würde. In jedem Fall dürfte die entstehende Hitze dem Kometen „tiefgehende“ Informationen entlocken. So hoffen die Wissenschaftler zum Beispiel, dass auch im Kometeninneren enthaltene Metalle verdampfen werden.

„Metalle und weitere Stoffe wie etwa Silizium sind normalerweise in Form von Mineralien im Kometengestein gebunden und deshalb für Teleskope auf der Erde nicht zugänglich“, so Hermann Böhnhardt.

Da der Komet C/2012 S1 (ISON) bereits bei seiner Entdeckung trotz der dabei gegebenen großen Entfernung zur Sonne relativ hell strahlte, könnte er seine Geheimnisse bereitwillig preisgeben, denn lichtstarke Objekte lassen sich deutlich leichter untersuchen als lichtschwache Körper. Die in die Beobachtungskampagne involvierten Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung werden versuchen, diesen Vorzug mit Hilfe von fünf Teleskopen zu nutzen. Bei ihren Beobachtungen arbeiten sie mit Kollegen am Wendelstein-Observatorium der Ludwig-Maximilians-Universität in München, an der Thüringer Landessternwarte in Tautenburg, am Turkish National Telescope und zwei hawaiianischen Anlagen, dem Canada France Hawaii Telescope und dem W.M. Keck Observatory, zusammen.

„Bei den Beobachtungen, die wir von Hawaii aus durchführen, stehen vor allem die organischen Bestandteile des Kometen im Vordergrund“, so Hermann Böhnhardt. Diese machen möglicherweise bis zu ein Drittel der mineralischen Kometenmasse aus und beinhalten Informationen über die frühe Entwicklung unseres Sonnensystems. So wird zum Beispiel spekuliert, dass Kometeneinschläge in der Frühzeit unseres Sonnensystems mit diesen Molekülen die „Grundbausteine des Lebens“ auf die Erde lieferten. Zudem interessieren sich die Wissenschaftler dafür, wie das Mischungsverhältnis organischer Stoffe vom Entstehungsort eines Kometen abhängt. „Auf diese Weise könnten wir nachzeichnen, wie diese Stoffe in der Geburtsstunde des Sonnensystems verteilt waren“, so Hermann Böhnhardt.

Aber nicht nur die auf die Kometenforschung spezialisierten Mitarbeiter des MPS werden in den kommenden Wochen den Kometen ISON beobachten, sondern auch die dortigen „Sonnenforscher“: Auch die beiden weltraumgestützten Sonnenobservatorien Solar and Heliospheric Observatory (SoHO) und STEREO, zu denen das MPS mehrere wissenschaftliche Instrumente beigetragen hat, werden Ende November während der sonnennächsten Passage den Kometen ISON ins Visier nehmen.
„Raumsonden, die sonst die Sonnenatmosphäre und ihre Umgebung beobachten, sind für diese Aufgabe hervorragend geeignet“, erläutert Dr. Werner Curdt vom MPS. Der Komet wird während der Sonnenpassage tief in die Sonnenkorona eintauchen, mit ihr wechselwirken und dabei seine chemischen Signaturen hinterlassen. Es ist vorgesehen, diese „Fingerabdrücke“ spektroskopisch zu untersuchen. Der SoHO-Spektrograph SUMER hat dafür Softwareprogramme an Bord, die erst jetzt – fast 18 Jahre nach dem Start dieses Sonnenobservatoriums – erstmals zur Anwendung kommen werden. Das Raumsonden-Duo STEREO und das Instrument LASCO an Bord von SoHO werden mit ihren Kameras die weitere Entwicklung des Kometen über viele Tage hinweg verfolgen.

Die meisten erdgebundenen Beobachtungen der Wissenschaftler des MPS laufen in diesen Tagen an. In dieser frühen Beobachtungsphase richtet sich das Augenmerk der Forscher in erster Linie auf den Schweif des Kometen, welcher sich bereits deutlich erkennbar ausgebildet hat. Seine derzeitige Entwicklung erlaubt Rückschlüsse auf die physikalischen Eigenschaften des Kometenkerns sowie auf eventuell erfolgende Gas- und Teilchenausbrüche an dessen Oberfläche. Zudem wollen die Wissenschaftler anhand der früh gewonnen Daten die Form, die Ausdehnung und die zu erwartende Helligkeit, welche der Kometenschweif zu späteren Zeitpunkten annehmen wird, berechnen – und so einen Vorgeschmack bieten auf den Anblick, welcher sich uns Ende November und Anfang Dezember 2013 am Nachthimmel bieten wird.

Sollte der Komet seine Sonnenpassage überstehen, ohne dabei in mehrere Einzelteile zu zerbrechen, so dürfte er zum Jahresende einen spektakulären Anblick am Himmel liefern. Optimistische Prognosen gehen davon aus, dass er dabei zeitweise sogar die Helligkeit des Vollmondes erreichen könnte. Unter besonders günstigen Umständen könnte er dabei sogar als heller Fleck neben der Sonne als sogenannter Tageskomet zu sehen sein. Diese Prognosen sind allerdings mit Vorsicht zu genießen, denn die zukünftige Helligkeitsentwicklung von Kometen ist auch nach vielen Jahren der intensiven Forschung immer noch extrem ungewiss.

Trotzdem sind sich die Experten im Fall von C/2012 S1 (ISON) relativ sicher, dass bereits während der weiteren Annäherung an die Sonne der Schweif von C/2012 S1 (ISON) im November relativ einfach mit dem bloßem Auge am Morgenhimmel tief am östlichen Horizont sichtbar sein sollte. Derzeit erreicht der Komet eine Helligkeit von rund 11 mag und ist mit Amateurteleskopen am Morgenhimmel im Sternbild Löwe (lat. Leo) in der unmittelbaren Nachbarschaft des Planeten Mars zu beobachten.

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• C/2012 S1 (ISON)
• Kometen

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