Quelle: Universität Münster 1. August 2024.

1. August 2024 – Zu Beginn dieses Jahres, am 21. Januar, war ein riesiger Feuerball vor allem über dem Bundesland Brandenburg sichtbar. Er entstand, weil ein kleiner Himmelskörper in die Erdatmosphäre eingedrungen war, zerplatzte und in zahlreichen Bruchstücken in der Nähe von Ribbeck im Havelland zu Boden ging. Nachdem sich in den folgenden Tagen Hunderte Menschen auf die Suche nach den Überresten des eingedrungenen Körpers gemacht hatten, konnten Forscher unter der Leitung von Prof. Dr. Addi Bischoff und Dr. Markus Patzek vom Institut für Planetologie der Universität Münster jetzt die Fundstücke untersuchen. Die beiden Wissenschaftler haben mit fast 30 weiteren Kolleginnen und Kollegen aus fünf Ländern ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Meteoritics & Planetary Science“ unter dem Titel „Cosmic pears from the Havelland (Germany): Ribbeck, the twelfth recorded aubrite fall in history“ veröffentlicht. Mit den „kosmischen Birnen“ spielen die Autoren auf das bekannte Gedicht „Herr von Ribbeck auf Ribbeck im Havelland“ von Theodor Fontane und die Birnen an, die die titelgebende Figur verteilt.

In ihrer Publikation beschreiben die Autoren, dass 202 Bruchstücke des Meteoriten mit einem Gesamtgewicht von 1,8 Kilogramm aufgefunden wurden. Das Streufeld umfasste eine Größe von 1,5 mal 10 Kilometer in der Nähe der Ortschaften Ribbeck, Berge und Lietzow. Dank der ungewöhnlich schnell erfolgreichen Suche konnte das Team nur wenige Tage nach dem Fall mit ihrer Untersuchung beginnen. Ohne es zu diesem Zeitpunkt zu wissen, standen die Sucher zunächst vor einer Herausforderung. „In der Regel hält man bei der Meteoritensuche nach schwarzen Steinen Ausschau. Aufgrund der Mineralogie und Zusammensetzung wiesen die Bruchstücke von Ribbeck aber keine durchgängig dunkle Schmelzkruste auf. Wahrscheinlich wurden deshalb in den ersten Suchtagen zahlreiche Stücke übersehen, bis man diese Eigenart erkannt hatte“, erklärt der Erstautor der Publikation, Addi Bischoff.

Bei der Analyse ermittelten die Wissenschaftler, dass der Meteorit „Ribbeck“ der eher seltenen Meteoritenklasse der Aubrite angehört. Diese Klasse ist nach dem Meteoriten von Aubres benannt, der 1936 in Frankreich vom Himmel fiel und zu der weltweit nur zwölf Fälle gehören. Die Aubrite sind reich an Magnesium und Silizium. Der Meteorit „Ribbeck“ nimmt innerhalb seiner Klasse wiederum eine Sonderstellung ein, da das Gestein über einen außergewöhnlich hohen Anteil an Feldspäten verfügt – einem Mineral, das zur Gruppe der Silikate gehört.

Die Forscher gehen davon aus, dass der Mutterkörper des Ribbeck’schen Meteoriten etwa 4,5 Milliarden Jahre alt ist und aus dem Asteroidengürtel stammt. Dieser befindet sich zwischen den Umlaufbahnen der Planeten Mars und Jupiter. „Die intensive Brekziierung des Gesteins lässt auf eine bewegte Vergangenheit mit verheerenden Einschlagsergebnissen auf dem Mutterkörper schließen“, führt Markus Patzek aus. Bei Brekzien handelt es sich um Trümmergesteine, die durch Einschläge auf dem Mutterkörper entstanden sind und deren Trümmer, also Fragmente, durch einen erneuten Einschlag wieder verfestigt werden. Kleine Schmelzbereiche innerhalb der feinkörnigen Trümmer deuten beim Meteoriten „Ribbeck“ auf mindestens einen späteren Einschlagsprozess hin, der nach den Hauptfragmentierungsereignissen und der Brekzienbildung stattfand.

Die Meteoritenstücke fielen beim Auffinden durch einen intensiven Geruch nach Schwefelwasserstoff auf – ähnlich dem Geruch von faulen Eiern. Obwohl die Einzelstücke nur wenige Tage der feuchten Umgebung – Schnee mit anschließendem Tauwetter – ausgesetzt waren, fanden unmittelbar nach dem Fall chemische Reaktionen zwischen den Mineralphasen und der Feuchtigkeit statt, die den Geruch verursachten und die ursprüngliche Mineralogie des Gesteins veränderten. Bestimmte Mineralphasen im Meteoriten können unter irdischen Bedingungen nicht gebildet werden und sind instabil, das heißt, sie reagieren mit der irdischen Luftfeuchtigkeit und dem Wasser und zerfallen.

Originalveröffentlichung
Bischoff, Patzek et al., 2024: Cosmic pears from the Havelland (Germany): Ribbeck, the twelfth recorded aubrite fall in history. Meteoritics & Planetary Science; DOI: 10.1111/maps.14245.
https://archimer.ifremer.fr/doc/00902/101389/
pdf: https://archimer.ifremer.fr/doc/00902/101389/112181.pdf

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• Meteoriten & Co – Boten aus dem Weltall

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Quelle: WWU 18. Januar 2024.

18. Januar 2024 – Der Mond unserer Erde ist fast vollständig mit Staub bedeckt. Anders als auf der Erde ist dieser Staub nicht durch Wind und Wetter glatt geschliffen, sondern scharfkantig und zusätzlich elektrostatisch aufgeladen. Bereits seit der Apollo-Ära Ende der 1960er-Jahre wird dieser Staub untersucht. Nun hat ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Ottaviano Rüsch von der Universität Münster erstmals besondere metergroße Felsen auf der Mondoberfläche entdeckt, die mit Staub bedeckt sind und vermutlich einzigartige Eigenschaften aufweisen – etwa magnetische Anomalien. Die wichtigste Erkenntnis der Wissenschaftler ist, dass nur sehr wenige Felsblöcke auf dem Mond eine Staubschicht mit speziellen Reflexionseigenschaften haben. Zum Beispiel reflektiert der Staub auf diesen neu entdeckten Felsblöcken das Sonnenlicht anders als auf bisher bekannten Gesteinen. Diese neuen Erkenntnisse helfen den Wissenschaftlern, Prozesse zu verstehen, die die Mondkruste bilden und verändern. Die Studienergebnisse sind im Fachjournal „Journal of Geophysical Research – Planets“ erschienen.

Es ist bekannt, dass es auf der Mondoberfläche magnetische Anomalien gibt, insbesondere in der Nähe einer Region namens Reiner Gamma. Die Frage, ob Gesteinsbrocken magnetisch sein können, wurde jedoch noch nie untersucht. „Das derzeitige Wissen über die magnetischen Eigenschaften des Mondes ist sehr gering, sodass diese neuen Gesteine Aufschluss über die Geschichte des Mondes und seines magnetischen Kerns geben werden“, ordnet Ottaviano Rüsch vom Institut für Planetologie die Entdeckung ein. „Dazu haben wir erstmals die Wechselwirkungen von Staub mit Gesteinsbrocken in der Reiner-Gamma-Region untersucht – genauer gesagt die Variationen in den Reflexionseigenschaften dieser Gesteine. Beispielsweise können wir daraus ableiten, zu welchem Anteil und in welche Richtung das Sonnenlicht von diesen großen Felsen reflektiert wird.“ Die Aufnahmen wurden von der NASA-Raumsonde Lunar Reconnaissance Orbiter durchgeführt, die den Mond umkreist.

Ursprünglich war das Forschungsteam an zerklüfteten Gesteinsbrocken interessiert. Sie hatten zunächst mithilfe künstlicher Intelligenz etwa eine Million Bilder nach solchen Gesteinsbrocken durchsucht – diese Aufnahmen stammen ebenfalls vom Lunar Reconnaissance Orbiter. „Moderne Datenverarbeitungsmethoden ermöglichen uns komplett neue Einblicke in globale Zusammenhänge – gleichzeitig finden wir auf diese Weise immer wieder unbekannte Objekte, so wie die anomalen Gesteinsbrocken, die wir in dieser neuen Studie untersuchen“, sagt Valentin Bickel vom Center for Space and Habitability der Universität Bern. Der Suchalgorithmus identifizierte rund 130.000 interessante Gesteinsbrocken, die Hälfte davon untersuchten die Wissenschaftler. „Wir erkannten auf nur einem Bild einen Felsbrocken mit markanten dunklen Bereichen. Dieses Gestein unterschied sich stark von allen anderen, da es weniger Licht in Richtung Sonne zurückstreut als andere Gesteine. Wir vermuten, dass das an der besonderen Staubstruktur liegt, etwa an der Dichte und der Korngröße des Staubs“, erklärt Ottaviano Rüsch. „Normalerweise ist der Mondstaub sehr porös und reflektiert viel Licht in die Beleuchtungsrichtung. Wenn der Staub aber kompaktiert wird, steigt gewöhnlich auch die Helligkeit insgesamt. Dies ist bei den beobachteten staubbedeckten Felsen nicht der Fall“, fügt Marcel Hess von der TU Dortmund hinzu. Dies sei eine faszinierende Entdeckung – allerdings stehen die Wissenschaftler noch am Anfang, diesen Staub und seine Wechselwirkungen mit dem Gestein zu verstehen. In den kommenden Wochen und Monaten wollen die Forscher die Prozesse weiter untersuchen, die zu den Wechselwirkungen zwischen Staub und Felsen sowie zu der Entstehung der besonderen Staubstruktur führen. Zu diesen Prozessen gehören zum Beispiel die Anhebung des Staubs aufgrund elektrostatischer Aufladung oder die Wechselwirkung des Sonnenwinds mit lokalen Magnetfeldern.

Neben zahlreichen anderen internationalen unbemannten Raumfahrtmissionen zum Mond schickt die NASA in den kommenden Jahren einen automatischen Rover, einen fahrbaren Roboter, in die Reiner-Gamma-Region, um ähnliche Arten von Felsblöcken mit speziellem Staub zu finden. Auch wenn es noch Zukunftsmusik ist: Ein besseres Verständnis der Staubbewegung kann beispielsweise bei der Planung menschlicher Siedlungen auf dem Mond helfen. Denn aus den Erfahrungen der Apollo-Astronauten weiß man, dass Staub viele Probleme aufwirft, etwa die Verunreinigung technischer Geräte oder der Weltraumstationen.

Originalpublikation
Rüsch, O., Hess, M., Wöhler, C., Bickel, V. T., Marshal, R. M., Patzek, M., & Huybrighs, H. L. F. (2024). Discovery of a dust sorting process on boulders near the Reiner Gamma swirl on the Moon. Journal of Geophysical Research: Planets, 129, e2023JE007910. Doi: 10.1029/2023JE007910
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023JE007910

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• Mond

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Quelle: WWU 16. Januar 2024.

16. Januar 2024 – Die dunklen Bereiche auf der Oberfläche des Mondes, die wir auch von der Erde aus erkennen können, bestehen aus Basalten. Sie sind auf den ersten Blick den Basalten auf der Erde sehr ähnlich. Allerdings sind viele Mondbasalte reich an Titan, wie Analysen dieser Gesteine aus mehreren Apollo-Missionen der US-Bundesbehörde für Raumfahrt, NASA, zeigen. Dabei handelt es sich um ein Übergangsmetall, das in terrestrischen Basalten nur in Spuren vorhanden ist. Es gibt einige Theorien, wie diese ungewöhnlichen Gesteine auf dem Mond entstanden sind.

Wissenschaftler der Universitäten Münster und Bristol (England) haben nun das Rätsel gelöst: Sie haben die isotopische Zusammensetzung dieser lunaren Gesteine mit extrem hoher Genauigkeit in neuartigen Massenspektrometern gemessen. Ihr Ergebnis: Die titanreichen Basalte müssen durch eine unvollständige Reaktion von titanreichen Schmelzen mit Nebengesteinen tief im lunaren Mantel entstanden sein. Die Ergebnisse sind nun in der Fachzeitschrift „Nature Geoscience“ erschienen. „Die Entstehung dieser Basalte wird seit über 50 Jahren intensiv diskutiert. Mit unseren Studienergebnissen können wir hiermit die Diskussion neu aufrollen“, betont Prof. Dr. Stephan Klemme vom Institut für Mineralogie der Universität Münster.

Originalpublikation:
doi.org/10.1038/s41561-023-01362-5
https://www.nature.com/articles/s41561-023-01362-5
pdf: https://www.nature.com/articles/s41561-023-01362-5.pdf

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• Mond

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Quelle: WWU 6. Oktober 2023.

6. Oktober 2023 – Unter dem Titel „Zurück zum Urknall: kosmische Strahlung, kleinste Relikte und große Teleskope“ findet an der Universität Münster am 13. und 14. Oktober (Freitag und Samstag) das 24. Astroseminar statt. Referentinnen und Referenten von verschiedenen Universitäten, der Europäischen Weltraumorganisation ESA, dem münsterschen LWL-Museum für Naturkunde mit Planetarium und dem Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie geben Einblicke in die aktuelle Forschung. Am 14. Oktober können Interessierte zudem Teleskope basteln und am Tag der offenen Tür im Institut für Kernphysik teilnehmen.

Das Astroseminar ist ein Angebot junger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Institute für Kernphysik und Theoretische Physik. Es richtet sich an Schülerinnen und Schüler, Studierende aller Fachbereiche und an alle anderen Interessierten. Vorkenntnisse sind nicht erforderlich. Die Teilnahme ist kostenlos und auch an einzelnen Programmpunkten möglich. Veranstaltungsort ist der Hörsaal 1 (HS 1), Wilhelm-Klemm-Straße 10. Das vollständige Programm gibt es unter www.uni-muenster.de/Physik.Astroseminar.

Flyer-Download:
https://www.uni-muenster.de/imperia/md/content/physik_astroseminar/werbung/astroseminar_flyer_2023.pdf

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: WWU (upm/kk) 14. September 2023.

14. September 2023 – Seit dem 20. Oktober 2018 ist das Raumschiff BepiColombo auf dem Weg zum Merkur. Mit an Bord ist das Infrarot-Spektrometer „MERTIS“, das ein Planetologen-Team um Prof. Dr. Harald Hiesinger von der Universität Münster mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin und Industriepartnern über viele Jahre entwickelt hat. Die Mission hat das Ziel, den sonnennahsten Planeten zu erkunden und Hinweise auf seine Geschichte sowie zur Entstehung des Sonnensystems zu liefern. Im September tagt das internationale Forschungsteam in Münster, um sich über den Stand der Mission auszutauschen. Kathrin Kottke sprach mit Harald Hiesinger über die Rolle der Universität Münster bei dieser jahrelangen Reise ins Weltall.

Seit über vier Jahren ist das Raumschiff BepiColombo im All unterwegs. Ende 2025 soll es in die Merkur-Umlaufbahn eindringen und damit seine finale Destination erreichen. Warum ausgerechnet zum Merkur?
Harald Hiesinger: Der Merkur ist ein Planet der Extreme, über den wir bislang wenig wissen, der uns aber sehr viel über die Entstehung unseres Sonnensystems verraten kann. Er umkreist die Sonne in einer Entfernung von ‚nur‘ 58 bis 69 Millionen Kilometern. Zum Vergleich: Bei der Erde beläuft sich die Distanz auf rund 150 Millionen Kilometer. Die Oberfläche der Merkurs erreicht daher Temperaturen von bis zu 430 Grad Celsius. Dennoch existieren vermutlich Krater, deren Böden aufgrund des Orbits im permanenten Schatten liegen und Temperaturen von bis zu minus 170 Grad Celsius aufweisen. Zudem ist er der kleinste Planet in unserem Sonnensystem, wobei er eine sehr hohe Dichte hat – was auf schweres Material im Inneren schließen lässt, etwa Eisen oder Nickel. Wegen seiner Nähe zur Sonne, kann er von der Erde aus nur schwer beobachtet werden. Wir erhoffen uns von der BepiColombo-Mission neue Erkenntnisse.

Mit an Bord ist das von Ihnen über viele Jahre entwickelte MERTIS-Instrument. Was genau ist das für ein Gerät?
Harald Hiesinger: MERTIS steht für ‚Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer‘, ein miniaturisiertes Infrarotspektrometer, das nur circa 37 Zentimeter lang und 20 Zentimeter breit ist und ein Gewicht von etwas mehr als drei Kilogramm hat. Die hochkomplexe Technik musste in kleinster Feinarbeit zusammengesetzt werden und extremen Bedingungen standhalten – etwa dem Start der Rakete, das Durchdringen der Erdatmosphäre sowie der kosmischen und extremen Sonnenstrahlung.

Wie funktioniert das Gerät?
Harald Hiesinger: MERTIS nutzt die emittierte Wärmestrahlung, das sogenannte thermische Infrarot, um Informationen über die Oberfläche des Planeten zu erhalten, etwa über die gesteinsbildenden Minerale. Die räumliche Auflösung beträgt dabei global etwa 500 Meter. Dadurch können wir die mineralogische Zusammensetzung der Merkuroberfläche sowie die gesteinsbildenden Minerale untersuchen. Gleichzeitig wird das integrierte Mikro-Radiometer die Temperatur und die thermische Leitfähigkeit messen. Wir wollen insbesondere Daten zur vulkanischen und tektonischen Evolution des Planeten und zu seiner Impaktgeschichte – also Einschläge von Himmelskörpern auf dem Merkur – sammeln und auswerten.

Gab es Probleme beim Zusammenbau oder während der bisherigen Zeit im All?
Harald Hiesinger: Beim Bau, der im DLR in Berlin erfolgte, mussten wir Teile immer mal wieder austauschen und neu justieren. Auch den Härtetest auf einer Rüttelplatte hat MERTIS zunächst nicht überstanden, weil das Material an einigen Stellen gebrochen ist. Nachdem die Probleme behoben waren und viele Komponenten doppelt verbaut wurden – falls zum Beispiel ein Netzteil ausfällt – wurde MERTIS mit den anderen Instrumenten an das Raumschiff gebaut. Im Weltraum ist bislang alles ohne größere Probleme verlaufen. Wir wissen auf die Sekunde genau, wo sich das Raumschiff befindet und wie es ihm geht. Beim Start der Ariane-5-Rakete in Kourou in Französisch-Guayana ist mir aber nochmal kurz das Herz stehen geblieben.

Was ist denn passiert?
Harald Hiesinger: Ich hatte die große Ehre, beim Start der Mission live vor Ort zu sein. In etwa fünf Kilometer Entfernung sahen wir, wie die Trägerrakete zündete. Da es schon dunkel war, nahmen wir zunächst nur einen großen Feuerball wahr, und es wirkte, als sei die Rakete explodiert. Zum Glück war dem nicht so. Kurze Zeit später erwischte mich die Druckwelle mit voller Wucht. Bei der Zündung wird eine gewaltige Energie freigesetzt. Das war ein Gänsehautmoment…

… den Sie vermutlich nicht so schnell vergessen werden!
Harald Hiesinger: Nein, sicherlich nicht. Für mich und meinem Kollegen Dr. Jörn Helbert vom DLR in Berlin, ist ein großer Traum in Erfüllung gegangen, Teil dieser Mission zu sein. Nun hoffen wir alle, dass die Mission erfolgreich weiterläuft und wir unsere Daten ab dem 5. Dezember 2025 erhalten – das ist der Zeitpunkt, an dem BepiColombo in die rund 430 bis 1.500 Kilometer von der Planetenoberfläche entfernte Umlaufbahn eintritt.

Im September findet die BepiColombo-Tagung in Münster statt. Wer kommt hier zusammen?
Harald Hiesinger: Wir erwarten Gäste aus Japan und ganz Europa – alle Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die an BepiColombo beteiligt sind. Besonders wichtig ist mir, dass Studierende an der Tagung teilnehmen, sich mit den Experten vernetzen und Teil dieses Forschungsabenteuers werden. Immerhin werden sie zukünftig solche Missionen leiten und begleiten. Die Tagung in Münster ist eine tolle Gelegenheit für den Nachwuchs mit den führenden Experten der BepiColombo-Mission ins Gespräch zu kommen.

Über welche Themen werden Sie sprechen?
Harald Hiesinger: Wie es dem Raumschiff geht, ob technisch alles funktioniert und ob wir im Zeitplan sind. Zudem tauschen wir uns über die Daten aus, die bereits gesammelt wurden – beispielweise bei den Vorbeiflügen an Erde, Venus und Merkur. Und auch zukünftige Strategien für den Betrieb des Raumschiffs und die exakte Durchführung der Mission werden diskutiert.

Informationen zur BepiColombo Mission
Die BepiColombo Mission ist ein Gemeinschaftsprojekt der ESA (European Space Agency) und der JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency). Sie ist bis jetzt die dritte unbemannte wissenschaftliche Mission zum Merkur – benannt ist sie nach dem italienischen Mathematiker und Ingenieur Giuseppe Colombo (1920 – 1984), dessen Spitzname „Bepi“ lautet. Die Flugzeit beträgt bis zum Erreichen der Zielorbits etwa sieben Jahre. Während der „Reise“ wird die Stromversorgung über große Solarzellen sichergestellt. Die Kommunikation wird mit einer Hochleistungsantenne (high gain antenna, HGA) sowie einer Mittelleistungsantenne (medium gain antenna, MGA) aufrechterhalten. Sämtliche Kommunikation zwischen der Raumsonde und der Erde findet mittels TM/TC statt (Telemetrie/Telekommando, telemetry/telecommand) statt.

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• BepiColombo auf Ariane 5 ECA

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Quellen: DESY, Universität Münster (WWU) 29. Juni 2023.

29. Juni 2023 – Astrophysikerinnen und Astrophysiker haben erstmals überzeugende Hinweise auf die Existenz von Gravitationswellen gefunden, die mit Perioden von Jahren bis Jahrzehnten schwingen. Dies geht aus fünf Artikeln hervor, die am 29. Juni in der Zeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht wurden. Dazu werteten die Forscherinnen und Forscher Daten aus 15 Jahren aus, die das North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) gesammelt hat. An einem der Forschungsartikel sind Kai Schmitz von der Universität Münster und Andrea Mitridate von DESY in Hamburg beteiligt. Diese Publikation beschäftigt sich mit der Hypothese, dass NANOGrav Gravitationswellen sieht, die im Urknall erzeugt wurden. Am NANOGrav-Konsortium sind neben dem Team der Universität Münster und von DESY auch Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover sowie von der Universität Mainz beteiligt.

Dies ist ein entscheidender Beleg für Gravitationswellen bei sehr niedrigen Frequenzen“, betont Stephen Taylor von der Vanderbilt University (USA), der die Suche mit geleitet hat und derzeit der Kollaboration vorsitzt. „Nach jahrelanger Arbeit öffnet NANOGrav ein neues Fenster zum Gravitationswellen-Universum.“

Das NANOGrav-Konsortium, ein Zusammenschluss von mehr als 190 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, beobachtet Pulsare in unserer Galaxie mit großen Radioteleskopen und sucht dabei nach Gravitationswellen. Ein Pulsar ist der extrem dichte Überrest des Kerns eines massereichen Sterns nach dessen Lebensende in einer Supernova-Explosion. Pulsare drehen sich schnell und senden Strahlen von Radiowellen durch den Weltraum, sodass sie von der Erde aus gesehen zu pulsieren scheinen. „Wenn der Pulsar richtig orientiert ist, lässt sich dieses sehr regelmäßige Signal von der Erde aus messen. Man kann den Effekt mit dem Lichtkegel eines Leuchtturms vergleichen, der in einem bestimmten Takt aufblitzt – nur dass Pulsare viel schneller blinken; im Falle der von NANOGrav beobachteten Pulsare sogar im Millisekundentakt“, veranschaulicht Schmitz, Juniorprofessor am Institut für Theoretische Physik der Universität Münster, der dem NANOGrav-Konsortium angehört.

Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt genau voraus, wie Gravitationswellen Pulsarsignale beeinflussen sollten. Durch die Dehnung und Stauchung der Raumstruktur beeinflussen die Gravitationswellen die Ankunftszeit jedes Pulses auf eine kleine, aber vorhersehbare Weise, indem sie einige Pulse verzögern und andere früher die Erde erreichen lassen. Abweichungen nach einem bestimmten Muster, das sich auf langsam wogende (niederfrequente) Gravitationswellen zurückführen lässt, zeichnen sich nun in den Daten von 68 beobachteten Pulsaren ab, die das Konsortium in 15 Jahren Forschungsarbeit zusammengetragen hat. Frühere Ergebnisse von NANOGrav hatten zwar bereits ein rätselhaftes Signal in den gemessenen Zeitreihen enthüllt, das allen beobachteten Pulsaren gemeinsam war. Es war aber zu schwach, um daraus Rückschlüsse über seinen Ursprung zu ziehen.

Der jüngste Datensatz von NANOGrav zeigt nun zunehmend klare Hinweise auf Gravitationswellen mit Perioden von Jahren bis Jahrzehnten. Diese Wellen könnten von umkreisenden Paaren der massereichsten Schwarzen Löcher im gesamten Universum ausgehen: Sie sind Milliarden Mal massereicher als die Sonne und größer als der Abstand zwischen Erde und Sonne. Aus der Überlagerung der Signale vieler einzelner Schwarzlochpaare ergibt sich ein diffuses Gravitationswellen-Hintergrundrauschen. Zukünftige Studien dieses Signals werden ein neues Fenster zum Gravitationswellen-Universum öffnen und unter anderem Einblicke in die Verschmelzung gigantischer Schwarzer Löcher in fernen Galaxien gewähren.

Zum Hintergrund: Im Gegensatz zu den niederfrequenten Gravitationswellen, die nur mit Pulsaren detektiert werden können, können flüchtige hochfrequente Gravitationswellen von bodengestützten Instrumenten wie LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) beobachtet werden. Für die erste direkte Messung von hochfrequenten Gravitationswellen mit dem LIGO-Detektor im Jahr 2015 erhielten Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne 2017 den Nobelpreis für Physik. Die neuen NANOGrav-Ergebnisse erschließen nun ein neues Frequenzband im Gravitationswellenspektrum, das in Relation zum LIGO-Frequenzband steht, wie etwa langwellige Radiowellen im elektromagnetischen Spektrum in Relation zu sichtbarem Licht stehen. Zudem ist NANOGrav keinen flüchtigen Gravitationswellen auf der Spur, sondern einem kontinuierlichen Hintergrundrauschen, das die Erde permanent und aus allen Richtungen erreicht.

Die Veröffentlichung der Ergebnisse von NANOGrav ist mit Gravitationswellen-Forschungsteams aus der ganzen Welt abgestimmt, die am 29. Juni ebenfalls jeweils neue Ergebnisse präsentieren. Neben NANOGrav sind dies weitere sogenannte Pulsar-Timing-Array-Konsortien aus Australien, China, Europa, und Indien, die zusammen im International Pulsar Timing Array (IPTA) organisiert sind.

Beitrag von Kai Schmitz und seiner Arbeitsgruppe (Universität Münster) und Andrea Mitridate (DESY) zu den NANOGrav-Veröffentlichungen vom 29. Juni
Das von NANOGrav gesehene Signal könnte auch einen kosmologischen Beitrag in Form von Gravitationswellen aus dem frühen Universum erhalten. Diese Hypothese wird in einer der fünf nun veröffentlichten Studien im Detail untersucht, die Kai Schmitz mit Andrea Mitridate, Postdoktorand bei DESY, leitete. „In unserer Arbeit“, führt Andrea Mitridate aus, „nehmen wir die Möglichkeit unter die Lupe, dass NANOGrav im Urknall erzeugte Gravitationswellen sieht – anstelle eines Signals astrophysikalischen Ursprungs, das von gigantischen Schwarzen Löchern ausgesendet wird, die einander im Zentrum von Galaxien umkreisen.“ Ein solcher Ur-Gravitationswellenhintergrund sollte als Gravitationspendant zum kosmischen Mikrowellenhintergrund – dem in den 1960er Jahren entdeckten „Nachglühen“ des Urknalls – angesehen werden.

„Viele Theorien zu neuer Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik sagen die Entstehung von Gravitationswellen im Urknall voraus, darunter Phänomene wie kosmische Inflation, kosmologische Phasenübergänge oder sogenannte kosmische Strings“, erklärt Kai Schmitz. Andrea Mitridate ergänzt: „In diesem Sinne ermöglichen uns die NANOGrav-Daten, Modelle neuer Physik bei Energien zu untersuchen, die in Laborexperimenten auf der Erde unerreichbar sind.“ Es bedarf jedoch weiterer Untersuchungen, um festzustellen, ob sich letztlich die astrophysikalische Interpretation in Form von Doppelsystemen aus extrem massereichen Schwarzen Löchern oder die kosmologische Interpretation in Form von Gravitationswellen aus dem Urknall durchsetzen wird.

Forschungsförderung
Die Arbeit von NANOGrav erhielt finanzielle Unterstützung durch das Physics Frontiers Center der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) (Preisnummer 1430284 und 2020265), die Gordon and Betty Moore Foundation, die NSF (AccelNet-Preisnummer 2114721), ein Discovery Grant des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) und das Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR). Das Arecibo-Observatorium ist eine Einrichtung der NSF. Sie wird im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung (#AST-1744119) von der University of Central Florida (UCF) in Zusammenarbeit mit der Universidad Ana G. Méndez (UAGM) und Yang Enterprises (YEI), Inc, betrieben. Das Green Bank Observatory und das National Radio Astronomy Observatory sind Einrichtungen der NSF, die im Rahmen von Kooperationsvereinbarungen durch Associated Universities, Inc, betrieben werden.

Originalveröffentlichung mit Beteiligung der Arbeitsgruppen von Universität Münster und DESY
Adeela Afzal et al./ The NANOGrav Collaboration (2023): The NANOGrav 15-year Data Set: Search for Signals from New Physics. The Astrophysical Journal Letters, DOI: 10.3847/2041-8213/acdc91, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdc91, pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdc91/pdf

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• Gravitationswellen

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Quelle: DLR 24. Mai 2023.

24. Mai 2023 – Am 25. April 2023 leuchtete um 14:14 MESZ für etwa zwei Sekunden eine Tageslicht-Feuerkugel über Schleswig-Holstein auf. Diese helle Leuchterscheinung wurde von zwei Meteorkameras des Allsky7-Netzwerks aufgezeichnet und von einigen Augenzeugen in Deutschland und den Niederlanden beobachtet. Kurz darauf entdeckten drei Einwohner der Stadt Elmshorn Einschläge auf Dächern bzw. in ihren Gärten und fanden Meteorite von einigen hundert Gramm bis mehrere Kilogramm Masse. Journalisten kontaktierten daraufhin Dieter Heinlein aus Augsburg, den Meteoriten-Spezialisten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Dieser konnte bereits anhand von Fotos sicherstellen, dass es sich um echte Steinmeteorite handelt, welche die Schäden an Hausdachpfannen verursacht hatten, und er organisierte die wissenschaftliche Untersuchung der Himmelssteine.

Dankenswerter Weise stellten die Eigentümer der Meteoritenstücke umgehend Material für die Analysen zur Verfügung: Ein Glücksfall für die Meteoriten- und damit auch die Planetenforschung. Mit der raschen Untersuchung können kurzlebige Radioisotope – instabile und schwach strahlende Nuklide oder „Sorten“ von radioaktiven Elementen – untersucht werden und wichtige Hinweise zur Herkunft und Geschichte des Steinmeteoriten liefern.

Das als erstes gefundene Meteoritenstück von 233 Gramm war von seinem Flug durch die Erdatmosphäre sogar noch handwarm. Kreuzen Staubkörner oder eben auch größere Gesteins- und (viel seltener) Metallfragmente die Bahn der Erde um die Sonne und treten im „Kollisionsfall“ dabei in die Erdatmosphäre ein, werden sie bei den hohen Geschwindigkeiten von bis zu 200.000 Kilometern pro Stunde und mehr von der Reibung der dadurch glühend heißen oberen Atmosphäre der Erde oberflächlich stark erhitzt. Dabei verglühen kleine Fragmente vollständig, was als Meteoroid oder „Sternschnuppe“ häufig von der Erde aus sichtbar ist. Größere Eindringlinge aber bilden eine mehrere Sekunden lang am Firmament sichtbare Feuerkugel, die am Ende der Hochtemperaturphase in mehreren Zehntausendmeter Höhe mit lautem Knall zerbersten. Nur bei größeren Fragmenten bleiben Reste mit typischer Schmelzkruste übrig, die nach dem Abbremsen durch die Luftreibung abkühlen und mit Geschwindigkeiten von 150 bis 300 Kilometern pro Stunde als Meteoriten auf den Boden fallen.

DLR leitete sofortige Untersuchung der Meteoriten ein
„Insgesamt wurden in Elmshorn etwa vier Kilogramm Meteoritengestein gefunden“, freut sich Meteoritenexperte Dieter Heinlein, der für das DLR-Institut für Planetenforschung die Funde sofort eindeutig als Meteoriten identifizieren konnte. „Das größte Objekt wiegt 3.724 Gramm. Das allein ist für die Forschung großartig. Das Beste an diesem Meteoritenfall ist aber der Umstand, dass die Funde so schnell gemeldet und dadurch einer sofortigen Untersuchung zugeführt werden konnten. Der Fall von Elmshorn ist wirklich eine kleine Sensation für die Meteoritenforschung!“ Tatsächlich ereignete sich ein fast identischer Meteoritenfall nur zwei Wochen später, am 8. Mai 2023, im Ort Hopewell im US-Bundesstaat New Jersey, als eine Bürgerin im Schlafzimmer ihres Vaters einen 984 Gramm schweren Meteoriten auf dem Boden fand – darüber ein Loch in der Decke, durch das der Bote aus dem All eingedrungen war. Auch in New Jersey wurde kurz vor dem Fund eine Feuerkugel in der Hochatmosphäre gesichtet. Ein ganz außergewöhnlicher Zufall, die beiden Ereignisse stehen aber in keinem astronomischen Zusammenhang.

Dieter Heinlein kontaktierte für die sofortige Untersuchung von „Elmshorn“ das Institut für Planetologie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und das VKTA – Strahlenschutz, Analytik & Entsorgung Rossendorf e.V. in Dresden. Am VKTA analysiert Dr. Detlev Degering einen der gefundenen Meteorite aktuell im Untertagelabor „Felsenkeller“ per Gammaspektrometrie auf vorrangig kurzlebige kosmogene Radionuklide, die allerdings extrem schwach strahlend sind und keine Gefahr für die Finder darstellten. Eine weitere Probe wird gegenwärtig am Institut für Planetologie in Münster von den Wissenschaftlern Dr. Markus Patzek und Prof. Dr. Addi Bischoff mineralogisch untersucht und klassifiziert. Unter Leitung der beiden Planetologen werden weitere Forschungsarbeiten an dem Elmshorn Meteoriten koordiniert, an denen unter anderem Institute aus Deutschland, Frankreich und der Schweiz beteiligt sind.

„Elmshorn“ hat eine bewegte Entstehungsgeschichte
Vorläufige Ergebnisse bestätigen die zuvor gemachten Beobachtungen: Bei dem Meteoritenfall von Elmshorn handelt es sich um einen Chondriten vom Typ H, der intensive Brekziierung aufweist. Unter Brekzien versteht man Gesteine, die aus Gesteinsbruchstücken zusammengesetzt oder durch Hitze zusammengebacken wurde. Das bedeutet für den Elmshorn-Meteoriten, dass er ein Zeugnis komplexer Vermischung und Verfestigungsprozesse durch vorherige Impakte im Asteroidengürtel ist. Entstanden sind diese Gesteinsbrocken zusammen mit den Planeten des Sonnensystems vor viereinhalb Milliarden Jahren. Zwischen den Planeten Mars und Jupiter hätte sich aus Millionen dieser Planetesimale noch ein weiterer Planet bilden können, was die Gravitation Jupiters, des mit Abstand massereichsten Körpers des Sonnensystems, verhinderte. Auf zumeist stabilen Bahnen umkreisen diese Überbleibsel der Planetenentstehung die Sonne.

Nach dem Meteoritenfall von Flensburg im Jahr 2019 ist es der nächste beobachtete Meteoritenfall in Deutschland, bei dem Bruchstücke eines fremden Himmelskörpers, der mit der Erde kollidierte, gefunden wurden. Wenige Kilogramm schwere Meteoritenfälle wie „Elmshorn“ oder 2002 „Neuschwanstein“ erzeugen in der Natur einen meist nur wenige Dezimeter tiefen Krater. In besiedeltem Gebiet kann der Fall natürlich Schaden an Gebäuden verursachen. Das ist extrem selten und passierte aufgezeichnet in den vergangenen beiden Jahrhunderten nur wenige Male, so zum Beispiel am 25. April 2023 in Elmshorn.

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• Meteoriten & Co – Boten aus dem Weltall

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Quelle: WWU 10. Februar 2023.

10. Februar 2023 – Wie das Universum entstand, versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt am Kernforschungszentrum CERN bei Genf herauszufinden. An der Forschung beteiligen sich auch Physikerinnen und Physiker der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster: Sie haben das Experiment „ALICE“ am Teilchenbeschleuniger LHC („Large Hadron Collider“) mit aufgebaut und werten nun Messdaten aus. Schülerinnen und Schüler ab 15 Jahren dürfen am 17. Februar (Freitag) gemeinsam mit den münsterschen Forschern Geheimnisse aus der Welt der kleinsten Teilchen lüften. Der kostenlose Workshop – eine „International Masterclass“ – findet von 9.30 bis 17 Uhr im Institut für Kernphysik der Universität Münster statt. Weitere Informationen und die Möglichkeit zur Anmeldung gibt es unter https://indico.uni-muenster.de/event/1806/.

Wenn im LHC Blei-Ionen mit unvorstellbarer Wucht aufeinandertreffen, entsteht ein Materiezustand mit Temperaturen, die bis zu eine Million Mal höher sind als im Zentrum der Sonne – Bedingungen, wie sie in den ersten Augenblicken des Universums herrschten. Die Schüler blicken gemeinsam mit den CERN-Forschern in die Geburtsstunde des Kosmos und erfahren Wissenswertes über die Grundbausteine der Materie und die Kräfte, die im Universum wirken. Sie lernen Methoden kennen, mit denen sie echte Daten aus dem ALICE-Experiment auswerten, erleben eine Live-Schalte zu diesem Experiment und diskutieren ihre Ergebnisse in einer internationalen Videokonferenz – ganz so, wie es in den großen Forschungsverbünden am CERN üblich ist.

„International Masterclasses“ werden von CERN-Forschern auf der ganzen Welt an verschiedenen Terminen angeboten. In diesem Jahr sind etwa 225 Forschungseinrichtungen und Universitäten in 60 Ländern beteiligt, und es werden mehr als 13.000 Teilnehmer erwartet.

Damit die Schüler für die Teilnahme an der „Masterclass“ in Münster eine Befreiung vom Schulunterricht beantragen können, erhalten sie von den Veranstaltern entsprechende Teilnahmebestätigungen.

Anmeldung und weitere Informationen:
https://indico.uni-muenster.de/event/1806/

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: WWU.

4. März 2022 – Im Rahmen einer „International Masterclass“ lädt das Institut für Kernphysik der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster physikinteressierte Schülerinnen und Schüler ab der zehnten Klasse zu einem Online-Workshop ein. Der ganztägige Workshop findet am 16. März ab 9.30 Uhr statt. Die Teilnahme ist kostenlos und wird schriftlich für die Schule bestätigt. Eine Anmeldung ist ab sofort unter wwuindico.uni-muenster.de/event/1160/ möglich.

Zum Hintergrund: Auch die WWU ist am sogenannten ALICE-Experiment im weltweit größten Forschungszentrum für Teilchenphysik beteiligt, dem CERN in Genf. Im CERN treffen Blei-Atomkerne mit unvorstellbarer Wucht aufeinander – dadurch entstehen Bedingungen wie in den ersten Augenblicken des Universums. Den Workshop bieten Beschäftigte des ALICE-Experiments von mehreren deutschen Standorten an. Die Workshop-Teilnehmer blicken mit Forschern in die Geburtsstunde des Kosmos und erfahren mehr über die Grundbausteine der Materie und über die Kräfte, die im Universum wirken. Neben Vorträgen findet eine Live-Führung durch das ALICE-Experiment am CERN sowie eine Auswertung echter Daten am eigenen Computer statt.

„International Masterclasses“ werden von CERN-Forschern auf der ganzen Welt an verschiedenen Terminen angeboten. In diesem Jahr sind etwa 225 Forschungseinrichtungen und Universitäten in 60 Ländern beteiligt, die Veranstalter erwarten mehr als 13.000 Teilnehmer.

Links
Anmeldung und weitere Informationen: https://wwuindico.uni-muenster.de/event/1160/
Termine am Institut für Kernphysik: https://www.uni-muenster.de/Physik.KP/outreach/events/index.html
International Masterclasses: https://physicsmasterclasses.org/main/

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• Large Hadron Collider

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Quelle: WWU.

3. Dezember 2021 – In kosmologischen Rechnungen wird fast immer angenommen, dass die Materie im Universum gleichmäßig verteilt ist. Das liegt daran, dass die Berechnungen zu kompliziert würden, würde man die Position jedes einzelnen Sterns einbauen. In Wirklichkeit ist das Universum nicht gleichmäßig. An manchen Stellen befinden sich Sterne und Planeten, an anderen herrscht Leere. Die Physiker Michael te Vrugt und Prof. Dr. Raphael Wittkowski vom Institut für Theoretische Physik und vom Center for Soft Nanoscience (SoN) der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster haben jetzt mit der Physikerin Dr. Sabine Hossenfelder vom Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) ein neues Modell für dieses Problem entwickelt. Ausgangspunkt ist der Mori-Zwanzig-Formalismus, eine Methode zur Beschreibung von Systemen aus sehr vielen Teilchen mit einer kleinen Anzahl von Messgrößen. Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Zum Hintergrund: Die von Albert Einstein entwickelte Allgemeine Relativitätstheorie (ART) ist eine der erfolgreichsten Theorien der modernen Physik. Zwei der letzten fünf Physiknobelpreise betrafen dieses Gebiet: 2017 für die Messung von Gravitationswellen, 2020 für die Entdeckung eines schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße. Eine der wichtigsten Anwendungen der ART ist die Beschreibung der kosmischen Expansion, also der Ausdehnung des Universums seit dem Urknall. Die Geschwindigkeit dieser Ausdehnung wird von der Menge an Energie im Universum bestimmt. Neben der sichtbaren Materie spielen hier – zumindest gemäß dem aktuell in der Kosmologie verwendeten „Lambda-CDM-Modell“ – vor allem die dunkle Materie und dunkle Energie eine Rolle.

„Streng genommen, ist es mathematisch falsch, den Mittelwert der Energiedichte des Universums in die Gleichungen der ART einzusetzen“, betont Sabine Hossenfelder. Die Frage ist nun, wie „schlimm“ dieser Fehler ist. Manche Experten halten ihn für irrelevant, andere sehen darin die Lösung für das Rätsel der dunklen Energie, deren physikalische Natur bislang unbekannt ist. Eine ungleichmäßige Verteilung der Masse im Universum kann sich auf die kosmische Expansionsgeschwindigkeit auswirken.

„Der Mori-Zwanzig-Formalismus wird bereits in sehr vielen Forschungsgebieten von der Biophysik bis zur Teilchenphysik erfolgreich eingesetzt, daher bot er auch für dieses astrophysikalische Problem einen vielversprechenden Ansatz“, erklärt Raphael Wittkowski. Das Team verallgemeinerte diesen Formalismus, sodass er auf die ART angewendet werden konnte, und leitete so ein Modell für die kosmische Expansion unter Berücksichtigung kosmischer Ungleichmäßigkeiten her.

Das Modell macht eine konkrete Vorhersage für die Auswirkung dieser sogenannten Inhomogenitäten auf die Geschwindigkeit der Ausdehnung des Universums. Diese weicht leicht von der Vorhersage des Lambda-CDM-Modells ab und bietet daher eine Möglichkeit, das neue Modell experimentell zu testen. „Aktuell sind die astronomischen Daten nicht genau genug, um diese Abweichung zu messen, aber die großen Fortschritte etwa bei der Messung von Gravitationswellen bieten Anlass zur Hoffnung, dass sich das ändert“, sagt Michael te Vrugt. „Außerdem lässt sich die neue Variante des Mori-Zwanzig-Formalismus auch auf andere astrophysikalische Probleme anwenden, die Arbeit ist also nicht nur für die Kosmologie relevant.“

Finanzierung
Michael te Vrugt wird durch ein Promotionsstipendium der Studienstiftung des deutschen Volkes gefördert. Sabine Hossenfelder erhält finanzielle Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, HO 2601/8-1). Die Arbeitsgruppe Wittkowski wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, WI 4170/3-1) finanziert.

Originalpublikation
M. te Vrugt, S. Hossenfelder, R. Wittkowski (2021). Mori-Zwanzig formalism for general relativity: a new approach to the averaging problem. Physical Review Letters 127, 231101. DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.231101

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• Kosmologie

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Quelle: WWU.

29. Oktober 2021 – Einschläge von Asteroiden haben zahlreiche Krater auf der Mondoberfläche hinterlassen. Altersbestimmungen an Mondgesteinen deuten darauf hin, dass die meisten dieser Einschläge vor etwa 3,9 Milliarden Jahren beziehungsweise etwa 500 Millionen Jahren nach Entstehung des Erdtrabanten stattgefunden haben. Diese Beobachtungen haben zu der sogenannten Theorie des „späten schweren Bombardements“ des Mondes (oder LHB für „Late Heavy Bombardment“) geführt; der Begriff spät bezeichnet in diesem Zusammenhang eine längere Zeitspanne nach Bildung des Mondes.

Aber was war der Ursprung dieses späten Bombardements, und woher kamen die Asteroiden, die auf dem Mond eingeschlagen sind? Unter den Wissenschaftlern kursieren zwei Theorien. So könnten diese Körper das übriggebliebene Material aus der Hauptphase der Erdentstehung darstellen, die mit kontinuierlich abnehmender Häufigkeit auf dem Mond eingeschlagen sind. Eine andere Hypothese besagt, dass es vor etwa 3,9 Milliarden Jahren durch Instabilitäten in den Umlaufbahnen der Gas- und Eisriesen zu einem plötzlichen starken Anstieg von Einschlägen von Asteroiden und Kometen aus dem äußeren Sonnensystem gekommen ist. Planetologen der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster haben diese Hypothesen mit sehr genauen Isotopenmessungen an Mondgesteinen überprüft.

Ihr Ergebnis und Fazit: Es gab keine plötzliche Erhöhung der Einschlagsrate. Das Bombardement des Mondes geht demnach auf kontinuierliche Einschläge von Asteroiden zurück, die aus der Hauptphase der Erd-Entstehung übriggeblieben sind. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Science Advances“ veröffentlicht.

Zum Studienhintergrund
Die münsterschen Wissenschaftler vom Institut für Planetologie untersuchten Mondgesteine, die während des Bombardements vor 3,9 Milliarden Jahren entstanden sind. Diese Gesteine enthalten winzige Metallkügelchen, die von den Asteroiden stammen. Durch die Untersuchung der Isotopen-Zusammensetzung dieser Metallkügelchen können die Forscher bestimmen, woher aus dem Sonnensystem diese Asteroiden stammen. Dabei zeigen vor allem die Elemente Ruthenium und Molybdän systematische Veränderungen in ihrer Isotopenzusammensetzung, abhängig vom Bildungsort im Sonnensystem. „Unsere Untersuchungen zeigen, dass das Bombardement des Mondes durch die gleichen Körper erfolgte, aus denen auch schon die Erde und der Mond entstanden sind“, erklärt die Planetologin und Erstautorin der Studie, Dr. Emily Worsham.

Die Einschlagskrater auf dem Mond gehen demnach auf ein kontinuierliches Bombardement mit übriggebliebenen Asteroiden aus der Hauptphase der Erd-Entstehung zurück. Damit können die Wissenschaftler auch einen plötzlichen Anstieg der Einschlagsrate durch das Bombardement mit Körpern aus dem äußeren Sonnensystem ausschließen. Aber woher kommt die Häufung der Alter von 3,9 Milliarden Jahren? „Es wurde schon früher vermutet, dass die bisher untersuchten Mondgesteine überwiegend aus Material von einem einzigen Einschlagsbecken bestehen – dem Mare Imbrium in der nördlichen Mitte der erdzugewandten Seite des Mondes“, erklärt Emily Worsham.

Aus theoretischen Berechnungen ist bekannt, dass sich die Umlaufbahnen der Gas- und Eisriesen irgendwann in der Frühgeschichte des Sonnensystems verändert haben und dabei eine Vielzahl an Körpern aus dem äußeren Sonnensystem nach innen gestreut wurden, die unter anderem mit der Erde und dem Mond kollidierten. „Dieses Ereignis muss früher als bisher angenommen stattgefunden haben, da wir in den Mondgesteinen keine Hinweise auf Einschläge von Asteroiden oder Kometen aus den äußeren Bereichen des Sonnensystems finden“, erläutert Prof. Dr. Thorsten Kleine. Die Umlaufbahnen der Gas- und Eisriesen haben sich daher vermutlich während der Hauptbildungsphase der erdähnlichen Planeten verändert – das heißt in den ersten etwa 100 Millionen Jahren des Sonnensystems. Das stimmt wiederum gut mit neueren dynamischen Modellen überein. „Unsere Studie zeigt somit auch, dass die erdähnlichen Planeten schon relativ früh, während ihrer Entstehung, wasserreiche Körper aus dem äußeren Sonnensystem eingebaut haben und so die Bedingungen für die Entstehung von Leben geschaffen wurden“, ergänzt Thorsten Kleine.

Förderung
Die Arbeit entstand im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB/Transregio 170 „Late accretion onto terrestrial planets“ („Spätes Wachstum erdähnlicher Planeten“) und wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt.

Originalpublikation
Emily Worsham und Thorsten Kleine (2021): Late accretionary history of Earth and Moon preserved in lunar impactites. Science Advances Vol. 7; doi: 10.1126/sciadv.abh2837
Originalpublikation in „Science Advances“

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• Mond

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main.

Das deutsche Netzwerk der ALICE-Kollaboration am CERN lädt Jugendliche ab 16 Jahren und Studierende der ersten Semester ein, den Teilchendetektor ALICE mit Lego nachzubauen. Physiker*innen der Goethe-Universität Frankfurt und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster begleiten das Projekt. Vom 18. Januar an entwerfen die Teilnehmer*innen zunächst das Modell mit Konstruktionsprogrammen, im Juni soll der Lego-Detektor voraussichtlich in Frankfurt zusammengebaut werden. Mitmachen können junge Interessierte aus dem ganzen Bundesgebiet, da die Veranstaltungen online angeboten werden.

An der großen Teilchenbeschleunigeranlage CERN in Genf gehen Wissenschaftler*innen aus der ganzen Welt grundlegenden Fragen der Physik nach: Was ist Materie? Wie hat sich das Universum entwickelt? Dazu lassen die Forscher*innen Atomkerne mit hohen Geschwindigkeiten aufeinanderprallen und zerlegen sie in ihre elementaren Bestandteile. Vermessen werden diese Materie-Bausteine mithilfe großer Teilchendetektoren. Der ALICE-Detektor misst die Teilchen, die bei der Kollision von Blei-Ionen entstehen – 900 Millionen Teilchen pro Sekunde. Eines der Forschungsziele ist es, den Zustand von Materie kurz nach dem Urknall verstehen zu lernen.

Wie der 26 Meter lange und 16 Meter hohe ALICE-Detektor funktioniert, können Physik-interessierte Schülerinnen und Schüler jetzt in einem Online-Kurs erfahren, indem sie den Detektor nachbauen, maßstäblich und mit Lego-Bausteinen. Ähnliche Detektor-Nachbauten gab es in der Vergangenheit bereits für zwei weitere große CERN-Detektoren; das Modell für ALICE sollen die Teilnehmer*innen jetzt gemeinsam entwickeln und dabei lernen, wie das große ALICE-Original funktioniert und wie mit dem Detektor Forschungsfragen beantwortet werden können.

Unterstützt werden sie dabei von Physiker*innen der Goethe-Universität Frankfurt, der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und weiteren Forschenden aus dem deutschen ALICE-Netzwerk, die Wissen über Teilchenphysik und das ALICE-Experiment, über Detektortechnologie und die Zusammenarbeit in einer Forschungskollaboration vermitteln und auch für Fragen zu Studium und Beruf zur Verfügung stehen.

Start:
18. Januar 2021, 16:00 Uhr

Anmeldung:
ALICE-Klemmbaustein-Workshop

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• Large Hadron Collider

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Quelle: WWU.

Im Rahmen der Aktionswoche „Woche der Teilchenwelt“ lädt das Institut für Kernphysik der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) physikinteressierte Schülerinnen und Schüler ab der 10. Klasse zu einem zweitägigen Online-Workshop ein. Die Initiative für diese Aktion geht von allen deutschen Standorten des ALICE-Experiments aus – auch die WWU ist an diesem Experiment im weltweit größten Forschungszentrum für Teilchenphysik (CERN, Genf) beteiligt. Der Online-Workshop findet am 5. und 6. November 2020 jeweils von 14 bis 18 Uhr statt. Die Teilnahme ist kostenlos. Eine Anmeldung ist ab sofort über die Website der „Woche der Teilchenwelt“ möglich.

Zum Hintergrund: Im CERN treffen Blei-Atomkerne mit unvorstellbarer Wucht aufeinander – damit entstehen Bedingungen wie in den ersten Augenblicken des Universums. Die Workshop-Teilnehmer blicken mit Forschern in die Geburtsstunde des Kosmos‘ und erfahren mehr über die Grundbausteine der Materie und über die Kräfte, die im Universum wirken. Neben Vorträgen findet eine Live-Führung sowie eine Auswertung echter Daten am eigenen Computer statt.

Weitere Informationen:
Workshop-Programm
Woche der Teilchenwelt

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• Urknall

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Quelle: WWU.

20. Juli 2020 – Die Grundbausteine der Materie und des Universums erforschen – um dieses Ziel weiter zu verfolgen, erhalten Physikerinnen und Physiker der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) eine Förderung von 2,5 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Damit unterstützt das Ministerium in den kommenden drei Jahren die Großprojekte der beteiligten Forschergruppen um die Astroteilchenphysiker Prof. Dr. Alexander Kappes und Prof. Dr. Christian Weinheimer sowie die Geophysikerin Prof. Dr. Christine Thomas.

Die Gelder fließen unter anderem in die Entwicklungsarbeiten zum geplanten europäischen Gravitationswellenexperiment „Einstein-Teleskop“. Nachdem die von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen vor einigen Jahren nachgewiesen wurden, soll dieser geplante Gravitationswellendetektor eine neue Ära von Astronomie und Astrophysik einleiten – an der sich auch die WWU beteiligen will. In dem geförderten Projekt wollen die Geophysiker und Physiker seismische Störungen messen und Methoden zu deren Kompensation für das extrem empfindliche Messgerät, dem Interferometer, entwickeln.

Weitere Forschungsgelder erhalten die Wissenschaftler für Projekte zur Astronomie mit Neutrinos – kleinste Teilchen, die als kosmische Strahlung auf die Erde gelangen und nach denen die Forscher seit Jahren mit dem Großexperiment „IceCube“ am Südpol suchen. Für zukünftige Erweiterungen des Detektors entwickeln die münsterschen Physiker verbesserte optische Sensoren, um extrem energiereiche kosmische Objekte wie aktive galaktische Kerne zu untersuchen.

Neutrinos sind nicht nur wichtige astrophysikalische Botenteilchen, um das Universum zu verstehen – sie bergen auch selbst große Geheimnisse. Zur Bestimmung der noch unbekannten Masse der Neutrinos erhalten die WWU-Wissenschaftler weitere Fördergelder für ihre Projekte am KATRIN-Experiment am Karlsruher KIT, die sie unter anderem für den Betrieb großer Instrumente und zur Datenanalyse einsetzen.

Die größte Einzelsumme ist der Suche nach der mysteriösen Dunklen Materie mit dem „XENONnT“-Experiment und dessen Nachfolger „DARWIN“ im italienischen Untergrundlabor Gran Sasso National Laboratory gewidmet. Neben der Analyse der Messdaten entwickeln die münsterschen Physiker besondere Tieftemperatur-Reinigungsanlagen, mit denen der mit flüssigem Xenongas gefüllte Detektor auf niedrigste Störraten durch radioaktive Zerfälle gebracht wird, die zuvor noch nie erreicht wurden.

Die Finanzierung durch das BMBF erfolgt im Rahmen der Förderung ausgewählter Schwerpunkte der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung auf dem Gebiet „Erforschung von Universum und Materie“.

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• Dunkle Materie

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Quelle: DLR.

Der Trabant der Erde entstand aus den Trümmern, die bei der Kollision mit einem Protoplaneten aus der jungen Erde geschlagen wurden. Dabei heizte sich der Mond so stark auf, dass er einen über tausend Kilometer tiefen Magmaozean bekam, der in 200 Millionen Jahren auskristallisierte. Mit neuen Modellrechnungen konnten Planetologen vom DLR und von der Universität Münster diese Ereignisse mit der Zeit der Mondentstehung in Verbindung setzen. Sie fanden heraus, dass der Mond vor 4,425 Milliarden Jahren entstand, fast 100 Millionen Jahre später, als bisher angenommen.

Die Geburtsstunde des Mondes schlug etwas später, als bisher vermutet. Sie ereignete sich, als ein marsgroßer Protoplanet bei der Kollision mit der jungen Erde zwar zerstört wurde, aber aus den Trümmern dieser Katastrophe ein neuer Körper entstand – der Mond. Planetengeophysiker um Maxime Maurice vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) haben nun mit einem neuen numerischen Modell rekonstruiert, wann dies geschah: vor 4,425 Milliarden Jahren. Die bisherigen Annahmen für die Entstehung des Mondes gingen von 4,51 Milliarden Jahren aus, also 85 Millionen Jahre früher als jetzt berechnet. Der Mond ist also fast 100 Millionen Jahre jünger, als bisher angenommen. Davon berichten die Wissenschaftler heute im Wissenschaftsmagazin Science Advances.

Das Sonnensystem war vor viereinhalb Milliarden Jahren noch eine ziemlich chaotische Welt. Die Erde wuchs gerade zu ihrer heutigen Größe heran: Der Planet, auf dem wir heute leben, sammelte noch immer Materie in Form von so genannten ‚Planetesimalen‘ auf, die sich zuvor in der die junge Sonne umkreisenden Scheibe aus Staub und Gas gebildet hatten. Die junge Erde konsolidierte, dabei wurde sie in ihrem Inneren ständig heißer. Immer größere Anteile des Gesteinsmantels schmolzen auf und bildeten einen Magmaozean. Zu jener Zeit bekam die Erde auch ihren Trabanten, der sie bis heute umkreist. Er ist das Ergebnis einer gewaltigen kosmischen Kollision der Erde mit einem Protoplaneten, bei dem Gestein aus der jungen Erde herausgeschleudert wurde und sich zu einem neuen planetaren Körper zusammenballte, dem Mond.

Über die Entstehungsgeschichte sind sich die meisten Wissenschaftler im Prinzip zwar einig, nicht aber über den Vorgang im Einzelnen und vor allem nicht über den Zeitpunkt. „Das Ergebnis unserer Modellierungen legt nahe, dass die junge Erde rund 140 Millionen Jahre nach der Geburt des Sonnensystems vor 4,567 Milliarden Jahren von einem Protoplaneten getroffen wurde. Das geschah nach unseren Berechnungen vor 4,425 Milliarden Jahren – mit einer Unsicherheit von 25 Millionen Jahren,“ fasst Maxime Maurice vom Berliner DLR-Institut für Planetenforschung und Erstautor der Studie die Untersuchungen zusammen. „Das war die Geburtsstunde des Mondes.“

Die Entwicklung der Erde zu einem Planeten war zu diesem Zeitpunkt gerade abgeschlossen. In deren Verlauf sanken im Inneren der Erde die schweren, metallischen Bestandteile ins Zentrum und bildeten einen Kern aus Eisen und Nickel, der nun von einem mächtigen Mantel aus silikatischen Gesteinen umgeben war. Die Mantelgesteine wurden durch die ‚Akkretion‘, dem Zusammenballen der Materie, und der Wärme aus dem Zerfall radioaktiver Elemente immer heißer, so dass eine Trennung von Metall und Silikat im Inneren der Erde innerhalb von einigen Zehnermillionen Jahren stattfinden konnte.

Ein planetarer Volltreffer als Geburtsstunde des Mondes
In diesem Stadium wurde die Erde von einem vielleicht marsgroßen Protoplaneten getroffen, der unter dem Namen Theia in der Sonnensystemforschung kursiert; Theia ist in der griechischen Mythologie eine der Titaninnen und die Mutter der Mondgöttin Selene. In der Frühzeit des Sonnensystems dürften zahlreiche Körper dieser Art existiert haben: Zum Teil wurden sie aus dem Sonnensystem hinausgeschleudert, oder aber sie wurden durch Kollisionen mit anderen Körpern zerstört. Theia indes traf die Erde mit voller Wucht und schleuderte so viel Material aus dem Erdmantel, dass sich daraus der Mond formen konnte. Bei diesem heftigen Aufprall bildete sich auf der frühen Erde ein Magmaozean aus glühend heißem, geschmolzenen Gestein von mehreren tausend Kilometern Tiefe. Von Theia gibt es nach dieser gewaltigen Kollision heute keine Spuren mehr, die man nachweisen könnte.

Um die bei diesem Ereignis ausgelöste Entstehung des Mondes nachvollziehen zu können, erfordert es einiges an Vorstellungsvermögen und Phantasie: Die Kollision der beiden Körper verdampfte mit ihrer gewaltigen Energie auch eine riesige Menge an Gestein aus dem frühen Erdmantel. Es wurde herausgeschleudert und sammelte sich in einem Ring aus Staub um die Erde, ehe es sich dort wieder zu Gestein zusammenballte. „Daraus entstand in kurzer Zeit, in vermutlich nur wenigen Tausend Jahren, der Mond“, erklärt Professorin Doris Breuer vom DLR und Co-Autorin der Studie.

Das älteste Mondgestein ist nicht alt genug
Über die Entstehungsgeschichte des Mondes herrscht unter Wissenschaftlern weitgehend Einigkeit. Allerdings konnten sie bis jetzt die Entstehung des Mondes nicht genau datieren, da es keine von den Astronauten der sechs Apollo-Missionen und den drei robotischen sowjetischen Luna-Missionen zur Erde gebrachten Mondgesteine gibt, die das Entstehungsalter des Erdtrabanten direkt konservieren. Mithilfe einer neuen, indirekten Methode haben die Forscher vom DLR und der WWU rekonstruiert, wann der Mond entstanden ist. „Unsere Berechnungen zeigen, dass dies höchstwahrscheinlich ganz am Ende der Erdentstehung geschah“, schildert Sabrina Schwinger, eine weitere Co-Autorin der Studie den zeitlichen Ablauf.

Nicht nur die Erde hatte in ihrer frühen Jugend einen Magmaozean. Auch im jungen Mond konnte sich durch Akkretionsenergie ein Magmaozean entwickeln. Der Mond schmolz fast vollständig auf und wurde, wie auch die Erde, von einem möglicherweise über tausend Kilometer tiefen Magmaozean bedeckt. Dieser Magmaozean begann zwar schnell zu kristallisieren und bildete an der Oberfläche, der ‚Schnittstelle‘ zum kalten Weltall, eine Mondkruste aus aufschwimmenden leichten Kristallen. Aber unter dieser isolierenden Kruste, die das weitere Abkühlen und Auskristallisieren des Magmaozeans bremste, blieb der Mond noch lange geschmolzen. Bisher konnten Wissenschaftler nicht feststellen, wie lange es dauerte, bis der Magmaozean vollständig kristallisiert war – weshalb sie auch nicht ausmachen konnten, wann sich der Mond ursprünglich bildete.

Für die Berechnung der Lebensdauer des Magmaozeans des Mondes verwendeten die Wissenschaftler in ihrer aktuellen Studie ein neues Computermodell, das erstmals die Vorgänge bei der Kristallisation des Magmaozeans umfassend berücksichtigte. „Die Ergebnisse des Modells zeigen, dass der Magmaozean des Mondes langlebig war und es fast 200 Millionen Jahre dauerte, bis er vollständig zu Mantelgestein auskristallisierte“, betont Maxime Maurice. „Die Zeitskala ist viel länger als in früheren Studien berechnet“, ergänzt DLR-Kollege Dr. Nicola Tosi, zweiter Autor der Studie und Betreuer der Doktorarbeit von Maxime Maurice, deren Ergebnis in dieser Studie zusammengefasst ist. „Ältere Modelle gingen von einer Kristallisationsdauer von nur 35 Millionen Jahre aus.“

Kristallisationsmodelle zeigten das Alter des Mondes – und der Erde
Um auch das Alter des Mondes zu bestimmen, mussten die Wissenschaftler noch einen Schritt weitergehen. Sie berechneten, wie sich die Zusammensetzung der magnesium- und eisenreichen Silikatmineralien, die sich während der Kristallisation des Magmaozeans bildeten, mit der Zeit veränderte. Das Ergebnis: Die Forscher stellten eine kontinuierliche Veränderung der Beschaffenheit des verbleibenden Magmaozeans im Laufe der fortschreitenden Kristallisation fest. Diese Erkenntnis ist von Bedeutung, da die Autoren so die Bildung verschiedener Gesteine vom Mond mit einem bestimmten Stadium in der Entwicklung seines Magmaozeans in Verbindung bringen konnten. „Durch den Vergleich der gemessenen Zusammensetzung der Mondgesteine mit der vorhergesagten Zusammensetzung des Magmaozean aus unserem Modell konnten wir die Entwicklung des Ozeans bis zu seinem Ausgangspunkt, dem Entstehungsalter des Mondes, zurückverfolgen“, erklärt DLR-Planetenforscherin Sabrina Schwinger.

Die Ergebnisse der Wissenschaftler zeigen, dass der Mond vor 4,425±0,025 Milliarden Jahren entstanden ist. Dieses genaue Alter des Mondes stimmt bemerkenswert gut mit einem zuvor aus dem Verhältnis von irdischen Uran- und Bleiisotopen bestimmten Alter für die Bildung des metallischen Erdkerns überein, mit dem die Entstehung des Planeten Erde ihren Abschluss fand. „Es ist das erste Mal, dass das Alter des Mondes direkt mit einem Ereignis in Verbindung gebracht werden kann, das ganz am Ende der Erdentstehung passierte, nämlich der Entstehung des Kerns der Erde“, betont Prof. Dr. Thorsten Kleine vom Institut für Planetologie in Münster.

Förderung:
Die Arbeiten wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Transregio 170 „Späte Akkretion auf terrestrischen Planeten“ und der Helmholtz-Nachwuchsgruppe „Early Dynamics of the terrestrial planets“ durchgeführt und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Helmholtz-Gemeinschaft gefördert.

Originalpublikation:
M. Maurice, N. Tosi, S. Schwinger, D. Breuer, T. Kleine (2020). A long-lived magma ocean on a young Moon. Science Advances; DOI: 10.1126/sciadv.aba8949

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• Mond

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