Quelle: Universität Wien 4. September 2024.

4. September 2024 – Zwei Instrumente für das künftig größte optische Teleskop der Welt, das Extremely Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile, haben die abschließende Designprüfung bestanden und damit einen wichtigen Meilenstein erreicht. Sie werden künftig Bilder des Universums in noch nie dagewesener Tiefe liefern: METIS, eine Kamera plus Spektrograph im mittleren Infrarotbereich, wird durch Staub- und Gaswolken blicken und so die Stern- und Planeten-Entstehung nachvollziehen können. Die 20 Tonnen schwere Kamera MICADO hingegen soll unter anderem Bilder von Sternsystemen in nahen Galaxien, Exoplaneten und schwarzen Löchern liefern. An der Entwicklung ist die österreichische Kooperation A* (Universitäten Wien und Innsbruck, JKU Linz, Österreichische Akademie der Wissenschaften) beteiligt.

In rund drei Jahren soll das weltweit größte optische Teleskop, das Extremely Large Telescope (ELT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in der chilenischen Atacama-Wüste in Betrieb gehen. Ausgerüstet mit verschiedenen Instrumenten, zwischen denen man innerhalb von Minuten umschalten kann, wird das ELT von der Erde aus Blicke ins Universum in noch nie dagewesener Tiefe ermöglichen. Zwei dieser Instrumente, an deren Entwicklung auch zahlreiche österreichische Expert*innen beteiligt sind, haben nun die abschließende Designprüfung bestanden und damit einen wichtigen Meilenstein erreicht: Die „Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations“ (MICADO), eine leistungsstarke hochauflösende Kamera für das ELT, hat die Designphase im Sommer abgeschlossen; der „Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph“ (METIS) bereits im Mai. Beide Instrumente sollen bereits beim Start des ELT oder kurz danach in Betrieb gehen.

METIS, Kamera und Spektrograph zugleich, ist für die Beobachtung im mittleren Infrarotbereich ausgelegt und eignet sich daher ideal für die Untersuchung kalter oder von Staub umhüllter Objekte. „Während sehr heiße Objekte wie unsere Sonne hauptsächlich sichtbares Licht aussenden, strahlen kältere Objekte wie Planeten oder Staubwolken vor allem im mittleren Infrarotbereich. Durch die Analyse des Lichts in diesem Frequenzbereich wird METIS untersuchen, wie sich Sterne und Planeten in Staub- und Gaswolken bilden, und kann durch den Staub im Zentrum von Galaxien blicken, um deren supermassereiche schwarze Löcher zu untersuchen“, erklärt Kieran Leschinski vom Institut für Astrophysik der Universität Wien. Er ist Teil der österreichischen Expert*innengruppe, an der die Universität Wien, die Universität Innsbruck, die Johannes Kepler Universität Linz sowie RICAM Linz/Österreichische Akademie der Wissenschaften beteiligt sind.

Beiträge zur Forschung an Exoplaneten
Darüber hinaus wird METIS voraussichtlich spannende Beiträge zur Erforschung von Exoplaneten leisten, indem es kleine, felsige Exoplaneten beobachtet und die Temperatur, das Wetter und die chemische Zusammensetzung ihrer Atmosphären auf der Suche nach bewohnbaren Welten untersucht. „Mit METIS verfolgen wir ein breites Spektrum wissenschaftlicher Ziele, von der Erforschung der Entstehungsgeschichte unseres Sonnensystems über den Blick in das Zentrum von Galaxien bis hin zur Untersuchung ihrer rätselhaften supermassiven schwarzen Löcher. Der wissenschaftliche Schwerpunkt von METIS liegt auf der Untersuchung von Planetenentstehungsscheiben und kürzlich entstandenen – sowie nahen – Exoplaneten“, so Norbert Przybilla, Professor am Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck.

20 Tonnen-schwere Kamera MICADO wird entfernte Galaxien beobachten
Das zweite Instrument, bei dem der Designprozess kürzlich abgeschlossen wurde, ist die „Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations“, kurz MICADO. MICADO wird hochauflösende Bilder des Universums liefern und die Entstehungsmechanismen entfernter Galaxien offenbaren. Bei der Entwicklung von MICADO stand der Wunsch nach höchster Präzision und Stabilität im Vordergrund, um die geforderte hohe Empfindlichkeit, Auflösung, astrometrische Genauigkeit und Abdeckung eines großen Wellenlängenbereichs zu erreichen. Um das gewährleisten zu können, wird das Instrument eine stattliche Größe erreichen: Rund sechs Meter hoch, wird es nicht weniger als 20 Tonnen wiegen.

Das Herzstück des Instruments wird, genauso wie jenes von METIS, in einem Kryostaten untergebracht, der es kühl hält, so dass es im nahen Infrarotbereich effektiv und ohne Störung durch andere Wärmequellen arbeiten kann. Dadurch wird es möglich sein, hochauflösende Bilder des Universums zu erhalten, die die detaillierten Strukturen und Entstehungsmechanismen entfernter Galaxien offenbaren und es den Astronom*innen ermöglichen, einzelne Sterne und Sternsysteme in nahen Galaxien sowie Planeten und deren Entstehung außerhalb unseres Sonnensystems zu untersuchen. Darüber hinaus wird MICADO ein einzigartig leistungsfähiges Instrument zur Erforschung von Umgebungen sein, in denen die Gravitationskräfte extrem stark sind, wie etwa in der Nähe des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße.

„Erdgebundene astronomische Beobachtungen werden durch Turbulenzen in der Erdatmosphäre gestört und können auch mit freiem Auge als Blinken der Sterne wahrgenommen werden. Das Team an der JKU Linz und am RICAM leistet mit der Entwicklung der Algorithmen zur Korrektur dieser Turbulenzen mittels verformbarer Spiegel einen wesentlichen Beitrag, um scharfe Bilder ferner Himmelsobjekte aufnehmen zu können“, erklärt Ronny Ramlau, Professor am Institut für Industriemathematik der Johannes Kepler Universität Linz und Scientific Director am RICAM Linz/ÖAW.

Expert*innenstimmen:
Kieran Leschinski, Institut für Astrophysik der Universität Wien: „Das Extremely Large Telescope (ELT) wird das leistungsfähigste optische/infrarote Teleskop sein, das je gebaut wurde. Mit seinem enormen 39-Meter-Hauptspiegel wird das ELT es ermöglichen, die schwächsten und entferntesten Objekte im Kosmos zu beobachten – von den ersten Galaxien, die sich nach dem Urknall gebildet haben, bis hin zu potenziell bewohnbaren Exoplaneten, die nahegelegene Sterne umkreisen. Unser Team hier in Österreich ist verantwortlich für die Entwicklung der Software für MICADO und METIS, die es Astronom*innen ermöglichen wird, bahnbrechende wissenschaftliche Ergebnisse aus den Rohdaten zu gewinnen, die direkt von den Instrumenten des Teleskops kommen.“

Werner Zeilinger, Institut für Astrophysik der Universität Wien: „Die räumliche Auflösung, die das ELT erreicht, ist so hoch, dass eine Lego-Figur auf einer Raumstation beobachtet werden kann. Allerdings führt bei einer solch hohen Auflösung selbst die kleinste Turbulenz in der Atmosphäre dazu, dass die Bilder verschwimmen – ähnlich als ob ich ein Objekt am Boden eines Schwimmbeckens betrachte. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, integriert das Extremely Large Telescope (ELT) mehrere flexible Spiegel, die sich hunderte Male pro Sekunde verformen und so die atmosphärischen Verzerrungen in Echtzeit beseitigen können. Dadurch wird das ELT in Summe in der Lage sein, Bilder deutlich schärfer aufzunehmen als das Hubble-Weltraumteleskop.“

Manuel Güdel, Professor am Institut für Astrophysik der Universität Wien: „METIS wird unser Verständnis von Planetensystemen revolutionieren. Durch seine hochauflösenden Infrarotbilder und -spektren wird es möglich sein, Exoplaneten und ihre Atmosphären in beispielloser Detailgenauigkeit zu untersuchen. Dieses hochmoderne Instrument wird auch dabei helfen, potenziell bewohnbare Welten zu identifizieren und uns näher an die Beantwortung der tiefgreifenden Frage bringen, ob Leben außerhalb unseres Sonnensystems existiert. Zudem wird METIS Einblicke in die Sternentstehung und die Bedingungen rund um junge Sterne geben, welche wiederum die Planetenentstehung und -entwicklung antreiben.“

Wolfgang Kausch, Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck: „Damit wir mit MICADO die geforderte hohe Empfindlichkeit, Auflösung, astrometrische Genauigkeit und Abdeckung eines großen Wellenlängenbereichs in der ELT-Umgebung erreichen, wird das Instrument nicht weniger als 20 Tonnen wiegen und eine Höhe von sechs Metern haben.“

Roland Wagner (RICAM Linz, ÖAW): „Innerhalb von MICADO wird am RICAM der ÖAW und an der JKU Linz eine Software zur Bewertung der Bildqualität mittels der sogenannten Point Spread Function entwickelt. Damit können in der Analyse der Bilder die Eigenschaften der beobachteten Sterne genauer als bisher bestimmt werden. Die Methode dafür wird gerade an Daten bereits existierender Teleskope getestet.“

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• ESO Teleskop ELT

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Quelle: Universität Wien 20. August 2024.

20. August 2024 – Am Mitterschöpfl, inmitten des Biosphärenparks Wienerwald, befindet sich das größte Spiegelteleskop Österreichs: Am Leopold Figl-Observatorium für Astrophysik der Universität Wien wird seit mehr als fünf Jahrzehnten das Universum erforscht. „Niederösterreich greift in vielen Forschungsbereichen nach den Sternen, z.B. im Bereich der Weltraumforschung! Jetzt investieren wir 225.000 Euro in die Erneuerung des Leopold Figl-Observatoriums. Damit kann die Technik und Ausstattung des Spiegelteleskops erneuert und auf ein neues Forschungsniveau gehoben werden“, erklärte LH-Stellvertreter Stephan Pernkopf.

Das Institut ist bereits heute an einer Reihe von Weltraumissionen involviert. Mit dem Upgrade des Telekops wird sichergestellt, dass das Observatorium auch in den nächsten zehn Jahren wissenschaftlich kompetitiv bleibt. So werden auch neue Forschungsschwerpunkte möglich, wie etwa die Suche nach Exoplaneten, also neuen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems. Die neue Forschungs-Infrastruktur aus Niederösterreich soll dabei spannende Erkenntnisse liefern.

Bei einem Pressetermin am Observatorium bestärkten die Universität Wien und das Land Niederösterreich die Weiterentwicklung des Leopold Figl-Observatoriums und unterzeichneten ein Partnerschaftsabkommen. LH-Stellvertreter Pernkopf betonte: „Viele Erkenntnisse aus Astrophysik und Weltraumforschung finden Eingang in unseren Alltag. Daher setzen wir auch in Zukunft auf Vorsprung durch Wissenschaft. Wir freuen uns auf spannende Ergebnisse, mit denen Niederösterreich nicht nur den Weltraum erobert, sondern vor allem auch das Leben hier auf unserem Planeten positiv beeinflussen kann. Denn wer die Sterne im Weltraum beobachtet, sieht die Vergangenheit und zieht daraus Schlüsse für die Zukunft. Ich möchte mich stellvertretend für die Uni Wien bei Rektor Schütze für die gute Zusammenarbeit bedanken.“

„Dieses Projekt ist für die Universität Wien eine großartige Gelegenheit, sich noch stärker auf dem Gebiet der Exoplanetenforschung zu profilieren“, so der Rektor der Universität Wien Sebastian Schütze. „Spektakuläre astronomische Entdeckungen werden meist mit Sternwarten in der chilenischen Atacama-Wüste oder mit Weltraumteleskopen in Verbindung gebracht. Das Figl-Teleskop mit seinem weiten Sichtfeld ermöglicht es, mitten in Österreich eine wichtige Nische in diesem spannenden Forschungsfeld zu besetzen.“

Das Observatorium wurde der Universität Wien anlässlich ihres 600-jährigen Jubiläums im Jahr 1965 vom Land Niederösterreich geschenkt.

Des Weiteren ist der Betrieb als Gastobservatorium geplant und die Kooperation mit Astronomievereinen soll verstärkt werden. Lokalen Wissenschafterinnen und Wissenschaftern, sowie Studierenden soll Beobachtungszeit am Observatorium ermöglicht werden. Durch die Öffnung der wissenschaftlichen Infrastruktur für die Bevölkerung sollen diverse Citizen Science-Projekte durchgeführt werden.

Mehr zum Leopold Figl-Observatorium im Wissenschaftsmagazin Rudolphina der Universität Wien:
https://rudolphina.univie.ac.at/rudolphina-roadtrip-zum-leopold-figl-observatorium

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• Exoplaneten

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Quelle: Universität Wien 10. Juli 2024.

10. Juli 2024 – Extrem schnell bewegte Sterne im Sternhaufen Omega Centauri, die eine neue Untersuchung ausfindig gemacht hat, zeigen: Im Zentrum des Sternhaufens befindet sich ein Schwarzes Loch mit mindestens 8.200 Sonnenmassen – damit ist dieses massereiche schwarze Loch das uns am nächsten liegende. Mit dieser Entdeckung konnten Forscher*innen des Max-Planck-Instituts für Astronomie unter Beteiligung der Universität Wien erstmals die Existenz eines Schwarzen Lochs mittlerer Masse nachweisen. Der Fund bestätigt außerdem, dass Omega Centauri die Kernregion einer Galaxie ist, die vor Milliarden von Jahren von der Milchstraße verschluckt wurde. Ohne seine äußeren Sterne hat sich der Galaxienkern seither so gut wie nicht weiterentwickelt. Die Studie wurde aktuell im renommierten Fachmagazin Nature veröffentlicht.

Omega Centauri ist eine spektakuläre Ansammlung von etwa zehn Millionen Sternen, die in südlichen Breitengraden als Fleck am Nachthimmel sichtbar ist. Durch ein kleines Teleskop sieht er nicht anders aus als andere so genannte Kugelsternhaufen. Die neue Studie bestätigt nun, was Astronom*innen schon seit längerem vermutet hatten: Omega Centauri enthält ein zentrales Schwarzes Loch. Mit einer Entfernung von etwa 18.000 Lichtjahren ist dies das nächstgelegene bekannte Beispiel für ein massereiches Schwarzes Loch. Im Vergleich dazu: Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße befindet sich rund 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Aber nicht nur die Nähe zur Erde macht diesen Fund besonders. Die Astronomie kennt für Schwarze Löcher unterschiedliche Massebereiche. Stellare Schwarze Löcher mit einer bis zu einigen Dutzend Sonnenmassen sind kleinere schwarze Löcher und vergleichsweise gut erforscht, ebenso wie supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien, mit Massen von Millionen oder sogar Milliarden Sonnen. Umfassende Beweise und Forschung zu mittelgroßen schwarzen Löchern fehlten – bis jetzt. Mit mindestens 8.200 Sonnenmassen ist das Schwarze Loch in Omega Centauri der erste Nachweis eines solchen mittelgroßen Schwarzen Lochs.

Momentaufnahme der Galaxien-Evolution
„Omega Centauri ist etwas ganz Besonderes. Als Kern einer ehemals selbstständigen Galaxie, die dann mit der Milchstraße verschmolz und dabei alle Sterne außer jenen der Kernregion verlor, ist Omega Centauri eine Art Momentaufnahme aus der Galaxienevolution“, erklärt Glenn van de Ven, einer der Autor*innen der neuen Studie und Leiter des Instituts für Astrophysik an der Universität Wien. Es gibt keine weiteren Verschmelzungen und keine Möglichkeit für das zentrale Schwarze Loch, zu wachsen. Das Schwarze Loch bleibt in der Größe erhalten, die es hatte, als Omega Centauri von der Milchstraße verschluckt wurde. „Wir wissen nicht genau wie supermassereiche Schwarze Löcher entstanden sind, aber es ist möglich, dass sie aus mittelgroßen Schwarzen Löchern gewachsen sind. Wir haben nun den ersten Beweis gefunden, dass es solche mittelgroße Schwarze Löcher tatsächlich gibt“, ergänzt Anja Feldmeier-Krause von der Universität Wien und ebenfalls eine der Autor*innen.

Geschwindigkeiten von 1,4 Millionen Sternen zum Nachweis bestimmt
Der nun gelungene Nachweis stellte die Astronom*innen vor eine zeitaufwändige Herausforderung. Federführend war Maximilian Häberle, ein Doktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie und Leiter der Studie. Er bestimmte anhand von über 500 Archivbildern des Weltraumteleskops Hubble die Geschwindigkeiten von 1,4 Millionen Sternen. „Die Suche nach schnellen Sternen und die Dokumentation ihrer Bewegung war die sprichwörtliche Suche nach der Nadel im Heuhaufen“, so Häberle. Doch am Ende hatte Häberle nicht nur den bisher vollständigsten Katalog der Bewegung von Sternen in Omega Centauri (veröffentlicht in einem separaten Artikel). Er konnte zudem sieben auffällige, sich schnell bewegende Sterne in einer kleinen Region im Zentrum von Omega Centauri ausmachen.

Anhand dieser sieben Sterne mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Bewegungsrichtungen konnten Häberle und seine Kolleg*innen die unterschiedlichen Effekte trennen und feststellen, dass sich im Zentrum von Omega Centauri eine Masse mit mindestens 8.200 Sonnenmassen befindet. Diese detaillierte Untersuchung verschaffte den Forscher*innen auch statistische Sicherheit: Die Beobachtung von sieben solcher Sterne kann kein Zufall sein und lässt keinen Raum für andere Erklärungen als ein Schwarzes Loch.

Beobachtungszeit mit dem Weltraumteleskop JWST soll in weiterer Folge noch mehr Details bringen, die Wissenschafter*innen wollen etwa die Bewegung der schnellen Sterne auf die Erde zu oder von ihr weg messen (Radialgeschwindigkeiten). Auch mit derzeit im Bau befindlichen neuen Instrumenten (GRAVITY+ am VLT der ESO, MICADO am Extremely Large Telescope) wird es möglich sein, Sternpositionen noch deutlich genauer zu bestimmen als mit Hubble.

Originalpublikation:
M. Häberle et al. „Fast-moving stars around an intermediate-mass black hole in ω Centauri“. Nature.
DOI: 10.1038/s41586-024-07511-z
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07511-z
pdf: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07511-z.pdf

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• Schwarze Löcher

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Quelle: TU Berlin 4. Juli 2024.

4. Juli 2024 – Bürgerwissenschaftler*innen können Mikrometeorite auf ihren Hausdächern sammeln und mit einiger Übung in einem Lichtmikroskop identifizieren. Die erfahrensten von ihnen haben nun zusammen mit einem Forscher*innen-Team von der TU Berlin und dem Museum für Naturkunde in Berlin sowie weiteren internationalen Wissenschaftler*innen die Entstehungsorte von zwei Mikrometeoriten im Sonnensystem mit hoher Wahrscheinlichkeit aufklären können. Beide befanden sich in Staub, der auf dem Dach des Eugene-Paul-Wigner-Physikgebäudes der TU Berlin eingesammelt wurde. Erstmalig zum Einsatz kam bei dieser Studie eine Computersimulation, die eine Vielzahl von möglichen Umlaufbahnen, Partikeleigenschaften und den Einfluss der kosmischen Strahlung auf die Mikrometeorite berücksichtigt. Die Daten aus dieser Computersimulation wurden dann mit Messungen der Mikrometeorite im Teilchenbeschleuniger VERA der Universität Wien verglichen, um ihren Ursprungsort zu ermitteln.

Scott Peterson ist Veteran der US-Army, studiert Chemietechnik in Minneapolis und kümmert sich gleichzeitig als Hausmann um seinen Sohn. Außerdem ist er einer der versiertesten Sammler von Mikrometeoriten weltweit. Diese Community wächst ständig, seit der norwegische Jazzmusiker und Bürgerwissenschaftler Jon Larsen 2015 zusammen mit dem Imperial College in London erstmalig nachweisen konnte, dass Mikrometeorite nicht nur in entlegenen Gegenden wie dem Grund der Ozeane oder dem Eis der Antarktis vorkommen, sondern auch auf unseren Hausdächern.

Bürgerwissenschaftler identifiziert Mikrometeorite
„Wir hatten Scott gebeten, einen Blick auf unsere Proben zu werfen, denn er hat einfach das beste Auge bei der Identifizierung von Mikrometeoriten unter dem Mikroskop“, erzählt Dr. Jenny Feige, die mit einem ERC-Starting-Grant des Europäischen Forschungsrates kosmischen Staub erforscht. Zunächst am Zentrum für Astronomie und Astrophysik (ZAA) der TU Berlin, heute am Museum für Naturkunde Berlin, wo auch weitere Projekte zu Mikrometeoriten zusammen mit Bürgerwissenschaftler*innen durchgeführt werden. Vor der Konsultation von Scott Peterson waren Forscher*innen der TU Berlin auf das Dach des dortigen Physikgebäudes mit der Teleskopkuppel gestiegen, hatten die Ablagerungen aus den Ecken zusammengefegt und eingesammelt. „Das ganze wird aufgeschwemmt in Wasser, um kleinste Blätter und ähnliches loszuwerden. Danach heizen wir das Sediment auf 600 Grad auf, um Mikroben und anderes organisches Material restlos zu zerstören. Anschließend wird das Material noch gesiebt, dann geht die Suche nach den Mikrometeoriten los“, sagt Feige.

Von Nasen und Schildkrötenpanzern
In der Probe befanden sich unzählige 100 bis 500 Mikrometer große Kügelchen, von denen die allermeisten im Sprachgebrauch der Forscher*innen eine „anthropogene Kontamination“ darstellten – sprich aus menschengemachten Quellen stammen wie Schweißarbeiten, Feuerwerk oder einfach Metallabrieb vom Straßenverkehr. In der allerletzten Teilprobe fand Scott Peterson dann tatsächlich zwei Mikrometeorite, die durch charakteristische Strukturen jeweils einer bestimmten Klasse zugeordnet werden konnten. Diese Strukturen entstehen, wenn kosmische Staubpartikel in die Erdatmosphäre rasen und durch die Reibung an den Luftteilchen abgebremst und stark erhitzt werden, bis sie schmelzen. Nachdem sie dabei durchschnittlich 90 Prozent ihrer Masse verloren haben, kristallisiert der Rest beim Abkühlen je nach Eintrittswinkel und Geschwindigkeit in der Atmosphäre, Beschaffenheit und Umgebungsbedingungen unterschiedlich aus.

So besitzt der eine Mikrometeorit durch bestimmte Kristallisationsprozesse ein Muster, das einem Schildkrötenpanzer ähnlich ist. Beim anderen hatten sich in der Phase des Aufschmelzens die Elemente Nickel und Eisen vom Rest getrennt und sind dann beim Abkühlen zu einem extra Kügelchen am Mikrometeorit erstarrt. „Aus dieser ‚Nase‘ kann man sogar schließen, wie er in die Atmosphäre eingedrungen ist, nämlich mit dem Kügelchen voran“, erzählt Feige.

Mikrometeorite können über die Bedingungen im Sonnensystems erzählen
„Es ist immer noch eine große Herausforderung für die Wissenschaft, etwas über den Entstehungsort der auf der Erde gefundenen Mikrometeorite herauszubekommen“, sagt Dr. Beate Patzer, theoretische Astrophysikerin am ZAA der TU Berlin. „Dies wäre aber sehr wünschenswert, denn Mikrometeorite können aus sehr unterschiedlichen Bereichen unseres Sonnensystems mit sehr verschiedenen Bedingungen stammen. Ungefähr 100 Tonnen überwiegend interplanetaren Staubes fängt die Erde pro Tag ein. Mikrometeorite sind damit wesentlich häufiger als größere Meteorite, wir könnten also aus ihnen viel mehr Daten generieren und eine Menge über unser Sonnensystem lernen.“

Flugzeit bis zur Erde
Eine Methode zur Bestimmung der Herkunft eines Mikrometeoriten ist die Analyse von langlebigen, radioaktiven Isotopen, die sich auf seinem Weg im Weltall durch Bestrahlung mit der im Kosmos allgegenwärtigen kosmischen Strahlung gebildet haben. „Anhand des Verhältnisses von unterschiedlichen Isotopen mit verschiedenen Halbwertszeiten und einem physikalischen Modell, das die Bildung dieser Isotope beschreibt, kann man auf die Flugzeit der extraterrestrischen Staubteilchen bis zur Erde schließen – und damit auf ihren Herkunftsort im Sonnensystem“, so Patzer.

Erstmals Computersimulation zur Analyse
„Erstmalig haben wir für diese Analyse eine aufwendige Computersimulation erstellt, die mögliche Umlaufbahnen der interplanetaren Staubteilchen, die Größe der Staubkörner, ihre Zusammensetzung und Dichte, Strahlungsprofile der Sonne und der kosmischen Strahlung aus dem interstellaren Raum, Verdampfungsraten während des Eintritts in die Erdatmosphäre und noch eine Vielzahl anderer Parameter berücksichtigt“, sagt Jenny Feige. Fokussiert haben sich die Forscher*innen dabei auf die radioaktiven Isotope Aluminium-26 und Beryllium-10.

Um die sehr geringen Mengen der Isotope in den winzigen Mikrometeoriten messen zu können, hat das Forschungsteam mit der Teilchenbeschleuniger-Anlage VERA in Wien zusammengearbeitet. Bei der dort durchgeführten „Beschleunigermassenspektrometrie“ werden die chemischen Elemente nicht nur nach ihrer Masse, sondern auch nach der Anzahl der Protonen im Kern sortiert – was erst eine eindeutige Identifizierung der Isotope ermöglicht.

Schildkröte vom Rand des Sonnensystems
Die Konzentrationen von Aluminium-26 und Berylllium-10 in den Mikrometeoriten wurden dann mit den Ergebnissen der Computersimulation verglichen, die die Anreicherung dieser Radioisotope in den Mikrometeoriten je nach Flugzeit und damit Herkunftsort im All vorhersagt. Dabei blieb der Ursprung von sechs an anderen Orten gesammelten Mikrometeoriten uneindeutig; sechs weitere Mikrometeorite konnten aber mit großer Wahrscheinlichkeit einem Ursprungsort zugeordnet werden, darunter die beiden auf dem Dach der TU Berlin gefundenen: Der Mikrometeorit mit dem Schildkrötenmuster entstammt dem äußeren Sonnensystem und könnte sich aus Kometen, die am Jupiter vorbeiziehen, oder Gesteinsmaterial im Kuipergürtel abgetrennt haben – in einer Entfernung so groß wie etwa 40-mal der Abstand Erde zu Sonne. Der Mikrometeorit mit der „Nase“ stammt dagegen aus dem inneren Sonnensystem, von erdnahen Objekten oder solchen bis hin zum Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter.

„Mit diesem Ergebnis konnten wir die grundsätzliche Eignung unserer Methode zeigen“, sagt Jenny Feige. Sie werde es in Zukunft ermöglichen, noch mehr über den Kosmos mit Hilfe der Mikrometeoriten zu lernen. „Gerade die auf unseren Hausdächern sind dabei besonders wertvoll, denn hier kennen wir ihre Aufenthaltszeit auf der Erde sehr präzise: Sie kann nicht älter als das Dach selbst sein. Bei Funden aus der Tiefsee oder der Antarktis dagegen könnten die Mikrometeoriten auch schon Millionen Jahre dort liegen, was die Ergebnisse unsicherer macht.“

Publikation:
Transport of dust across the Solar System: Constraints on the spatial origin of individual micrometeorites from cosmic-ray exposure
doi.org/10.1098/rsta.2023.0197
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2023.0197
pdf: https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsta.2023.0197?download=true

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• Meteoriten & Co – Boten aus dem Weltall.

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Quelle: Universität Wien 14. Juni 2024.

14. Juni 2024 – Ein Forschungsteam unter der Leitung von Philip Walther an der Universität Wien hat in einem bahnbrechenden Experiment die Auswirkungen der Erdrotation auf quantenverschränkte Photonen gemessen. Die Arbeit, die soeben in Science Advances veröffentlicht wurde, stellt einen bedeutenden Erfolg dar, der die Grenzen der Rotationsempfindlichkeit von verschränkungsbasierten Sensoren erweitert und möglicherweise die Grundlage für weitere Forschungen an der Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie bildet.

Optische Sagnac-Interferometer sind die empfindlichsten Geräte für Rotationsmessungen. Seit Anfang des vergangenen Jahrhunderts sind sie für das Verständnis der grundlegenden Physik von zentraler Bedeutung. Durch ihre hohe Sensitivität trugen diese experimentellen Werkzeuge schon vor über hundert Jahren etwa zur Begründung von Einsteins spezieller Relativitätstheorie bei. Heute sind sie aufgrund ihrer unvergleichlichen Präzision das ultimative Instrument zur Messung von Rotationsgeschwindigkeiten, das nur durch die Gesetzmäßigkeiten der klassischen Physik begrenzt wird.

Interferometer, die mit Quantenverschränkung arbeiten, haben das Potenzial, diese Grenzen zu sprengen. Liegt zwischen zwei oder mehreren Quantenteilchen eine Verschränkung vor, so ist nur ihr Gesamtzustand bekannt, während der Zustand der einzelnen Teilchen bis zu einer Messung unbestimmt bleibt. Diese Tatsache kann dazu genutzt werden, um mehr Information pro Messung zu erhalten, als dies ohne Verschränkung möglich wäre. Der versprochene Quantensprung in der Messempfindlichkeit wurde jedoch bisher durch die fragile Natur der Verschränkung behindert. Um diese Hürde zu umgehen, kam beim Experiment der Forschungsgruppe ein sehr stabiler und auf optischen Glasfasern basierender Sagnac-Interferometer mit einer effektiven Fläche von mehr als 700 Quadratmetern zum Einsatz. Auf diese Weise konnten genügend hochwertige verschränkte Photonenpaare beobachtet werden, um die Präzision der Rotationsmessung früherer quantenoptischer Sagnac-Interferometer um das Tausendfache zu übertreffen.

Beim Sagnac-Effekt kommen zwei Teilchen, die sich vom selben Startpunkt in entgegengesetzte Richtungen einer rotierenden, geschlossenen Kurve bewegen, zu unterschiedlichen Zeiten am Ausgangspunkt an. Bei zwei verschränkten Teilchen, wie sie in diesem Experiment verwendet wurden, wird es spukhaft: sie verhalten sich wie ein einziges Teilchen welches beide Richtungen gleichzeitig testet. Da es sich hier um einen sehr kleinen Effekt handelt, mussten die Forscher*innen die Länge ihrer zwei Kilometer langen Glasfasern, welche auf einer riesigen Spule aufgewickelt wurden, auf etwa ein Zehntel eines Nanometers konstant halten. Dies entspricht einer Längenänderung von circa einem Millimeter bei der durchschnittlichen Distanz der Erde zur Sonne.

Um die Auswirkung der Erdrotation auf quantenverschränkte Photonen zweifelsfrei zu messen, brauchten die Forscher*innen aber auch einen Vergleichswert – also das Verhalten der Photonen ohne den Einfluss der Erdrotation. „Wir können die Erdrotation aber natürlich nicht stoppen, einen guten Vergleichswert zu bekommen, war also eine echte Herausforderung. Wir haben die Glasfaser in zwei gleich lange Spulen aufgeteilt und diese über einen optischen Schalter miteinander verbunden“, erklärt der Hauptautor Raffaele Silvestri von der Universität Wien. Durch den Schalter wurde es möglich, die Rotationsrichtung nach Belieben auf der Hälfte des Weges umzukehren, sodass die Teilchen unabhängig vom tatsächlichen Rotationszustand immer zeitgleich am Ausgangspunkt ankommen. „Wir haben dem Licht im Grunde genommen vorgegaukelt, dass es sich in einem nicht rotierenden Universum befindet“, so Silvestri.

Mit dem Experiment, das im Rahmen des von der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften getragenen Forschungsnetzwerks TURIS durchgeführt wurde, konnten die Forscher*innen erfolgreich den Effekt der Erdrotation auf einen maximal verschränkten Zwei-Photonen-Zustand beobachten. Dies bestätigt die Wechselwirkung zwischen rotierenden Bezugssystemen und Quantenverschränkung, wie sie in Einsteins spezieller Relativitätstheorie und der Quantenmechanik beschrieben wird, im Vergleich zu früheren Experimenten mit tausendfacher Präzision. „Das ist ein bedeutender Meilenstein – ein Jahrhundert nach der ersten Beobachtung der Erdrotation mit Licht hat die Verschränkung einzelner Lichtquanten endlich die gleichen Empfindlichkeitsbereiche erreicht“, sagt Haocun Yu, die als Marie-Curie-Postdoktorandin an diesem Experiment gearbeitet hat. „Ich glaube, dass unser Ergebnis und unsere Methodik den Grundstein für weitere Verbesserungen der Rotationsempfindlichkeit von verschränkungsbasierten Sensoren legen werden. Dies könnte den Weg für zukünftige Experimente ebnen, die das Verhalten der Quantenverschränkung durch die Kurven der Raumzeit testen“, fügt Gruppenleiter Philip Walther von der Universität Wien hinzu.

Originalpublikation:
Experimental Observation of Earth’s Rotation with Quantum Entanglement.
R. Silvestri, H. Yu, T. Strömberg, C. Hilweg, R. W. Peterson, P. Walther. Science Advances, 2024.
DOI: 10.1126/sciadv.ado0215
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado0215

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Universität Wien 10. Juni 2024.

Wien, 10. Juni 2024 – Ein internationales Team von Astronom*innen unter der Leitung der Universität Wien hat die Entstehungsgeschichte von jungen Sternhaufen entschlüsselt, die wir teilweise am Nachthimmel mit freiem Auge sehen können. Das Team, geleitet von Cameren Swiggum und João Alves von der Universität Wien und Robert Benjamin von der University of Wisconsin-Whitewater berichtet, dass die meisten nahegelegenen jungen Sternhaufen nur drei Familien angehören, die jeweils aus sehr massereichen Sternentstehungsregionen stammen. Diese Forschung liefert auch neue Erkenntnisse über die Auswirkungen von Supernovae (gewaltige Explosionen am Lebensende von sehr massereichen Sternen) auf die Bildung gigantischer Gasstrukturen in Galaxien wie unserer Milchstraße. Die Ergebnisse dazu wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

„Junge Sternhaufen eignen sich hervorragend, um die Geschichte und den Aufbau der Milchstraße zu ergründen. Wenn wir ihre Bewegungen in der Vergangenheit und damit ihre Herkunft erforschen, erhalten wir auch wichtige Einblicke in die Entstehung und Evolution unserer Galaxie“, sagt João Alves von der Universität Wien, Co-Autor der Studie. Mithilfe präziser Daten der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und spektroskopischen Beobachtungen verfolgte das Team die Ursprünge von 155 jungen Sternhaufen in einem Umkreis von etwa 3.500 Lichtjahren um die Sonne. Ihre Analyse zeigt, dass diese Sternhaufen in drei Familien mit jeweils gemeinsamem Ursprung und Entstehungsbedingungen eingeteilt werden können. „Das weist darauf hin, dass die jungen Sternhaufen von nur drei sehr aktiven und massereichen Sternentstehungsregionen abstammen“, so Alves. Diese drei Sternenfamilien wurden nach ihren jeweils prominentesten Sternhaufen benannt: Collinder 135 (Cr135), Messier 6 (M6) und Alpha Persei (αPer).

„Diese Erkenntnisse liefern ein klareres Bild davon, wie junge Sternhaufen in unserer galaktischen Nachbarschaft wie Verwandte miteinander verbunden sind“, sagt Hauptautor Cameren Swiggum, Doktorand an der Universität Wien. „Indem wir die 3D-Bewegungen und früheren Positionen dieser Sternhaufen untersuchen, können wir ihre gemeinsamen Ursprünge identifizieren und die Orte in unserer Galaxie lokalisieren, in denen vor bis zu 40 Millionen Jahren die ersten Sterne in den dazugehörigen Sternhaufen entstanden sind.“

Diese gewaltigen Explosionen schufen vermutlich auch unsere „Lokale Bubble“
Die Studie ergab, dass sich bisher über 200 Supernova-Explosionen innerhalb dieser drei Sternhaufen-Familien ereignet haben müssen, welche enorme Energiemengen in ihre Umgebung freigesetzt haben. Die Autor*innen schlussfolgerten, dass diese Energie vermutlich die Gasverteilung in der lokalen Milchstraße stark beeinflusst hat. „Das wäre eine Erklärung für die Entstehung einer Superbubble, einer riesigen Blase aus Gas und Staub mit einem Durchmesser von 3.000 Lichtjahren um die Cr-135 Familie“, erklärt Swiggum. Auch unser Sonnensystem ist in einer solchen Blase eingebettet, die sogenannte Lokale Bubble, die mit sehr dünnem und heißem Gas gefüllt ist. „Die Lokale Bubble ist vermutlich auch mit der Geschichte einer der drei Sternhaufenfamilien verknüpft“, ergänzt Swiggum. „Und sie hat wahrscheinlich auch Spuren auf der Erde hinterlassen, worauf Messungen von Eisenisotopen (60Fe) in der Erdkruste hinweisen.“

„Wir können den Himmel praktisch in eine Zeitmaschine verwandeln, die es uns ermöglicht, die Geschichte unserer Heimatgalaxie nachzuverfolgen“, sagt João Alves. „Indem wir die Genealogie von Sternhaufen entschlüsseln, erfahren wir auch mehr über unsere eigene galaktische Abstammung.“ In Zukunft plant das Team um João Alves noch genauer zu erforschen, ob und wie unser Sonnensystem mit interstellarer Materie in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, interagiert hat.

Diese Forschung wurde vom ERC Advanced Grant ISM-FLOW (Alves), der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der NASA unterstützt.

Originalpublikation:
Cameren Swiggum, João Alves, Robert Benjamin et al: Most nearby young star clusters formed in three massive complexes. In Nature: 2024.
DOI: 10.1038/s41586-024-07496-9
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07496-9

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• Sternhaufen

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Quelle: Universität Wien 12. April 2024.

12. April 2024 – Ein internationales Forscher*innenteam unter der Leitung der Astrophysikerin Kristina Kislyakova von der Universität Wien war erstmals in der Lage, die stellaren Winde dreier sonnenähnlicher Sterne direkt nachzuweisen: Indem die Röntgen-Emission der Astrosphären dieser Sterne aufgezeichnet wurde, konnte ihr Masseverlust über die Sternwinde bestimmt werden. Auf den untersuchten Sternen weht demnach ein 10- bis 66-fach stärkerer Sternenwind als in unserem Sonnensystem. Die Studie wurde aktuell in Nature Astronomy veröffentlicht.

So wie die Heliosphäre unser Sonnensystem umgibt, werden andere Sterne durch eine Astrosphäre umgeben – vorstellbar als eine Art sehr heiße Plasmablase, die von stellaren Winden in das interstellare Medium, einen Raum voll Gas und Staub, geblasen wird. Diese Sternenwinde treiben viele Prozesse an, die zentral für das Verständnis der stellaren und planetaren Entwicklung in diesen Sternensystemen sind, beispielsweise die Verdampfung der Atmosphären von Planeten und den damit verbundenen Masseverlust. Pro Jahr gesehen ist dieser Masseverlust von Planetenatmosphären zwar winzig, über lange geologische Zeiträume sind diese Verluste jedoch mitentscheidend dafür, ob sich ein Planet zu einer bewohnbaren Welt oder zu einem luftleeren Felsen entwickelt.

Bisher gab es jedoch für die Existenz dieser Sternenwinde bei sonnenähnlichen Sternen (so genannten Hauptreihensternen, also quasi Sternen in der Blüte ihres Lebens) nur indirekte Hinweise. Einem internationalen Forschungsteam unter der Leitung von Kristina Kislyakova, Senior Scientist am Institut für Astrophysik der Universität Wien, gelang es nun erstmals, die stellaren Winde dreier sonnenähnlicher Sterne direkt nachzuweisen und den von ihnen verursachen Masseverlust des Sterns zu messen.

Dafür nutzte das Team die Röntgen-Emission: Stellare Winde bestehen hauptsächlich aus Protonen und Elektronen, enthalten aber auch eine kleine Menge schwererer, hochgeladener Ionen (z. B. Sauerstoff, Kohlenstoff). Diese Ionen senden Röntgenstrahlen aus, indem sie Elektronen aus dem neutralen interstellaren Medium um den Stern herum fangen.

Den Durchbruch der Gruppe streicht auch Koautor Manuel Güdel, Leiter der Forschungsgruppe „Stern- und Planetenentstehung“ am Institut für Astrophysik der Universität Wien hervor: „Seit drei Jahrzehnten bemühten sich weltweit viele Gruppen, Winde um sonnenähnliche Sterne nachzuweisen und ihre Stärke zu messen, doch bisher gab es nur indirekte Hinweise auf die Existenz solcher Winde, die auf ihren sekundären Effekten auf den Stern oder seine Umgebung beruhten.“ Seine Forschungsgruppe habe zuvor versucht, die Radio-Emission der Winde zu erfassen, konnte aber nur obere Grenzwerte für die Windstärke angeben, nicht jedoch die Winde selbst nachweisen. „Unsere neuen röntgenbasierten Ergebnisse ebnen nun den Weg, diese Winde direkt zu finden und sogar abzubilden und ihre Wechselwirkungen mit den umliegenden Planeten zu untersuchen“, so Güdel.

Röntgenemission von Astrosphären entdeckt
Dem Team gelang es mithilfe von Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop XMM-Newton, diese Röntgenemission der Astrosphären sonnenähnlicher Sterne erstmals direkt nachzuweisen und von den Röntgenemissionen der Sterne selbst zu trennen. Dadurch konnten zum ersten Mal stellare Winde direkt aufgezeichnet werden und die Massenverlustrate der Sterne über ihre Sternwinde berechnet werden.

Über die Analyse der spektralen Fingerabdrücke (so genannter Spektrallinien) der Sauerstoff-Ionen bestimmten die Forscher*innen die Sauerstoffmenge und letztlich die Gesamtmasse des von den Sternen ausgestoßenen Sternwindes. Dabei zeigte sich, dass die stellaren Winde bei den untersuchten Sternen (70 Ophiuchi, epsilon Eridani und 61 Cygni) deutlich stärker wehen: Die Massenverlustrate wird im Fall des Sterns 70 Ophiuchi auf das 66,5±11,1-fache, im Fall der Sterne epsilon Eridani und 61 Cygni auf das 15,6±4,4 bzw. 9,6±4,1-fache der Massenverlustrate unserer Sonne geschätzt. Ursache für die stärkeren Winde könnte die stärkere magnetische Aktivität dieser Sterne erklärt sein.

Sonnensystem als natürliches Labor
„Innerhalb unseres Sonnensystems wurde die Emission des Ladungsaustausch bereits bei Planeten, Kometen und in der Heliosphäre beobachtet – hier haben wir also quasi ein natürliches Labor, um die Zusammensetzung des Sonnenwinds zu untersuchen“, erklärt die Hauptautorin der aktuell im Journal Nature Astronomy publizierten Studie, Kristina Kislyakova. Die Beobachtung dieser Emission von weit entfernten Sternen sei aber natürlich aufgrund der Schwäche des Signals ungleich schwieriger: „Außerdem ist es aufgrund der Entfernung zu den Sternen sehr kompliziert, das von der Astrosphäre ausgesendete Signal von der tatsächlichen Röntgenemission des Sterns selbst zu trennen, auch weil ein Teil dieser Emissionen aufgrund instrumenteller Effekte über das Sichtfeld des Teleskops ,gestreut‘ wird. Wir haben einen neuen Algorithmus entwickelt, der die Röntgen-Emissionen des Sterns von denen der Astrosphäre trennt. Zudem konnten wir Signale für den Ladungsaustausch identifizieren, die von Sauerstoff-Ionen aus dem Sternwind und dem umgebenden neutralen interstellaren Medium von drei Hauptreihensternen stammen.“ Die geschätzten Massenverlustraten können künftig als Maßstab für Sternwindmodelle dienen und erweitern die bisherigen begrenzten Beobachtungsdaten für die Winde von sonnenähnlichen Sternen.

Originalpublikation in Nature Astronomy:
K.G. Kislyakova, M. Güdel, D. Koutroumpa, J.A. Carter, C.M. Lisse, S. Boro Saikia: X-ray detection of astrospheres around three main-sequence stars and their mass-loss rates. 2024.
DOI : 10.1038/s41550-024-02222-x
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02227-6

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• Sternentwicklung

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Quelle: Universität Wien 20. Februar 2024.

20. Februar 2024 – Erst vor wenigen Jahren entdeckte ein internationales Team von den Universitäten Wien und Harvard rund um den Astrophysiker João Alves (Universität Wien) Erstaunliches: In der Nachbarschaft unserer Sonne existiert eine riesige, wellenförmige, zusammenhängende Kette an Gaswolken, die entlang des Spiralarms unserer Galaxie Sternhaufen bildet – genannt Radcliffe-Welle. Bisher gab es jedoch ungelöste Fragen über jene Struktur. Nun berichten Alves und seine Kolleg*innen aus Harvard und der LMU München, dass die Radcliffe-Welle nicht nur wie eine Welle aussieht, sondern sich auch so bewegt. Die Forschungsergebnisse sind aktuell im renommierten Fachmagazin Nature erschienen.

Vor einigen Jahren enthüllten Astronom*innen der Universität Wien und der Universität Harvard eines der größten Geheimnisse der Milchstraße, als sie die Radcliffe-Welle entdeckten. Die Radcliffe-Welle ist eine 9.000 Lichtjahre lange, wellenförmige, zusammenhängende Kette an Gaswolken, die entlang des Spiralarms unserer Galaxie existiert und nur 500 Lichtjahre von unserer Sonne entfernt ist. Eine damals erstellte 3D-Staubkarte belegte zwar deutlich die Existenz der Radcliffe-Welle, darüber hinaus konnte aus den Daten jedoch nichts erhoben werden. Nun nutzte das internationale Team neue Daten der Gaia-Mission, um dem jungen Sternhaufen der Radcliffe-Welle 3D-Bewegungen zuzuordnen. „So konnten wir schließlich zeigen, dass die gesamte Radcliffe-Welle tatsächlich wellenförmig ist und sich auch als Wanderwelle bewegt“, erklärt Astrophysiker João Alves von der Universität Wien. Eine Wanderwelle ist dasselbe Phänomen, das wir in einem Sportstadion sehen, wenn Menschen nacheinander aufstehen und sich hinsetzen, um eine Welle auszulösen. Ebenso bewegen sich die Sternhaufen entlang der Radcliffe-Welle auf und ab und erzeugen dabei ein Muster, welches durch unseren galaktischen Garten wandert – sie oszillieren.

„Indem wir die Bewegung der jungen Sterne, die erst vor kurzem aus Gaswolken entlang der Radcliffe-Welle geboren wurden, untersucht haben, konnten wir die Bewegung des Gases, aus denen sie geboren wurden, verfolgen und zeigen, dass sich die Radcliffe-Welle tatsächlich wellt“, erklärt Ralf Konietzka, leitender Autor der Studie und Doktorand in Harvard.

„Das war die letzte offene Frage bezüglich des physikalischen Status der Radcliffe-Welle“, erklärt Alves. „Es ist in der Tat eine physikalisch oszillierende titanische Gaswelle in der Nähe unserer Sonne. Die Radcliffe-Welle kann nun, da wir verstehen, wie sie physikalisch funktioniert, unser Labor im Weltall sein und uns so zu weiteren Erkenntnissen verhelfen.“ So bereits eine erste spannende Ableitung daraus: „Die Art der Oszillation der Welle deutet darauf hin, dass es keine signifikante Menge an dunkler Materie in unserer galaktischen Nachbarschaft gibt“, so Alves.

Das neu gewonnene Verständnis für das Verhalten der Radcliffe-Welle ermöglicht es den Forscher*innen, nun ihre Aufmerksamkeit auf noch herausfordernde Fragen zu richten: Etwa ist noch ungeklärt, wie die Radcliffe-Welle entstanden ist und warum sie sich so wellt, wie sie es tut.

Darüber hinaus wirft die Entdeckung der Oszillation neue Fragen auf: Wie viele solcher Wellen gibt es in der Milchstraße und in anderen Galaxien? Die aktuellen Daten deuten außerdem daraufhin, dass die Radcliffe-Welle das „Rückgrat“ unseres nächsten Spiralarms in der Milchstraße bildet, da sie fast die Hälfte der Länge und rund ein Fünftel der Breite des lokalen Spiralarms ausmacht. Könnte die Bewegung der Welle also auch implizieren, dass Spiralarme von Galaxien im Allgemeinen oszillieren? „Das würde unser Verständnis von Galaxien auf spannende Art vertiefen, denn dann wären sie noch dynamischer als bisher angenommen“, so Alves. All das wird Inhalt weiterer Studien sein, „die gute Zusammenarbeit zwischen der Universität Wien und der Universität Harvard in diesem Bereich wird noch einige spannende Ergebnisse bringen“, sagt Alves.

Originalpublikation:
Ralf Konietzka, João Alves et al.: ‚The Radcliffe Wave is Oscillating‘
DOI: 10.1038/s41586-024-07127-3
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07127-3

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• Die Milchstraße

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Quelle: Universität Wien 23. November 2023.

23. November 2023 – Eine Gruppe von Astrophysiker*innen unter der Leitung von Núria Miret-Roig von der Universität Wien fand heraus, dass zwei Methoden zur Bestimmung des Sternenalters unterschiedliche Dinge messen: Die isochrone Messung bestimmt dabei das Geburtsdatum von Sternen, während die dynamische Verfolgung Aufschluss darüber gibt, wann die Sterne „ihr Nest verlassen“, in den untersuchten Sternenhaufen etwa 5,5 Millionen Jahre später. Die Studie, die eine Bestimmung der frühesten Stadien des Lebens von Sternen ermöglicht, erscheint aktuell im Fachjournal „Nature Astronomy“.

Das Alter von Sternen ist in der Astrophysik ein grundlegender Parameter, aber dennoch relativ schwierig zu messen. Die besten Annäherungen gab es bisher für so genannte Sternenhaufen, also für Gruppen gleichaltriger Sterne mit einem gemeinsamen Ursprung. Sechs relativ nahe und junge Sternenhaufen wurden nun im Rahmen einer Studie am Institut für Astrophysik der Universität Wien hinsichtlich ihres Alters untersucht.

Dabei zeigte sich, dass zwei der verlässlichsten Methoden zur Bestimmung des Sternenalters – die isochrone Messung und die dynamische Rückverfolgung – systematisch und beständig auseinander lagen; konkret waren die Sterne laut der Methode der dynamischen Rückverfolgung jeweils rund 5,5 Millionen Jahre jünger als mit der isochronen Messung.

Wann die Uhr zu ticken beginnt
„Dies deutet darauf hin, dass die beiden Messmethoden unterschiedliche Dinge messen“, erklärt Núria Miret-Roig, Erstautorin der Studie, die aktuell in Nature Astronomy erscheint: Demnach beginnt die isochrone „Uhr“ ab dem Zeitpunkt der Sternenentstehung zu ticken, die „Uhr“ der dynamischen Rückverfolgung jedoch erst dann, wenn ein Sternhaufen nach dem Verlassen seiner Mutterwolke zu expandieren beginnt.

„Diese Erkenntnis hat erhebliche Auswirkungen auf unser Verständnis der Sternentstehung und der stellaren Entwicklung, einschließlich der Planetenbildung und der Entstehung von Galaxien, und eröffnet eine neue Perspektive auf die Chronologie der Sternentstehung. So kann die Länge der so genannten ‚eingebetteten Phase‘, während derer Babysterne innerhalb der elterlichen Gaswolke bleiben, abgeschätzt werden“, erklärt João Alves, Ko-Autor und Professor an der Universität Wien.

Messen, wie lange Babysterne im Nest bleiben
„Dieser Altersunterschied zwischen den beiden Methoden stellt ein neues und dringend benötigtes Werkzeug dar, um die frühesten Stadien im Leben eines Sterns zu quantifizieren“, so Alves. „Konkret können wir damit messen, wie lange die Baby-Sterne brauchen, bevor sie ihr Nest verlassen“.

Möglich wurden die Messungen durch die hochauflösenden Daten der Gaia-Sondenmission in Verbindung mit bodengestützten Radialgeschwindigkeiten (z. B. aus dem APOGEE-Katalog). „Diese Kombination erlaubt es uns, die Positionen der Sterne mit der Genauigkeit der 3D-Geschwindigkeiten bis zu ihrem Geburtsort zurückzuverfolgen,“ erklärt Miret-Roig. Neue und kommende spektroskopische Durchmusterungen wie WEAVE, 4MOST und SDSS-V werden diese Untersuchung für die gesamte Sonnenumgebung ermöglichen.

Rätselhafter Unterschied
„Astronom*innen verwenden isochrone Altersangaben, seit wir wissen, wie Sterne funktionieren, aber diese Altersangaben hängen von dem jeweiligen Sternmodell ab, das wir verwenden“, sagt Miret-Roig. „Die hochwertigen Daten des Gaia-Satelliten haben es uns nun ermöglicht, das Alter dynamisch, also unabhängig von den Sternmodellen, zu messen und wir waren begeistert, die beiden Uhren zu synchronisieren.“ Während der Berechnungen trat jedoch ein beständiger und rätselhafter Unterschied zwischen den beiden Altersbestimmungs-Methoden auf. „Und irgendwann kamen wir an einen Punkt, an dem wir die Diskrepanz nicht mehr auf Beobachtungsfehler schieben konnten – da wurde uns klar, dass die beiden Uhren höchstwahrscheinlich zwei verschiedene Dinge messen,“ so die Astrophysikerin.

Das Forschungsteam analysierte für die Studie sechs nahe gelegene und junge Sternenhaufen (bis zu 490 Lichtjahre entfernt und 50 Millionen Jahre alt). Dabei zeigte sich, dass die Zeitskala der eingebetteten Phase rund 5,5 Millionen Jahre beträgt (plus/minus 1,1 Millionen Jahre) und von der Masse des Sternenhaufens und der Menge der stellaren Rückkopplung abhängen könnte.

Die Anwendung dieser neuen Technik auf andere junge und nahe der Sonne gelegenen Sternenhaufen verspricht neue Einblicke in die Sternentstehung und das Auseinanderdriften der Sterne, hofft Miret-Roig: „Unsere Arbeit ebnet den Weg für die zukünftige Forschung im Bereich der Sternentstehung und bietet ein klareres Bild davon, wie sich Sterne und Sternhaufen entwickeln. Das ist ein wichtiger Schritt in unserem Bestreben, die Entstehung der Milchstraße und anderer Galaxien zu verstehen.“

Originalpublikation:
Núria Miret-Roig, João Alves, David Barrado, Andreas Burkert, Sebastian Ratzenböck & Ralf Konietzka: Insights into star formation and dispersal from the synchronisation of stellar clocks. In: Nature Astronomy
DOI: 10.1038/s41550-023-02132-4
https://www.nature.com/articles/s41550-023-02132-4

Die Publikation wurde von der Europäischen Union (ERC, ISM-FLOW, 101055318, PI: J. Alves) mitfinanziert. Die geäußerten Ansichten und Meinungen sind jedoch ausschließlich die der Autor*innen und spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Union oder des Europäischen Forschungsrats wider. Weder die Europäische Union noch die Bewilligungsbehörde können für sie verantwortlich gemacht werden.

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• Sternentwicklung

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Quelle: Universität Wien 15. November 2023.

Wien, 15. November 2023 – Ein Team europäischer Astronom*innen hat unter Mitwirkung von Forscher*innen der Universität Wien die Atmosphäre des nahen Exoplaneten WASP-107b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop untersucht. Ein Exoplanet ist ein Planet, der einen anderen Stern als unsere Sonne umkreist. Beim tiefen Blick in die flauschige Atmosphäre von WASP-107b entdeckten sie nicht nur Wasserdampf und Schwefeldioxid, sondern sogar Silikatsandwolken. Diese Entdeckung stellt einen bedeutenden Meilenstein in der Erforschung von Exoplaneten dar, da sie das komplizierte Zusammenspiel von Chemikalien und klimatischen Bedingungen auf diesen fernen Welten offenbart. Außerdem: Zum ersten Mal konnten Astronom*innen die Zusammensetzung von Wolken auf einem Exoplaneten definitiv bestimmen. Die Ergebnisse der Studie sind heute in der renommierten Fachzeitschrift Nature erschienen.

Astronom*innen auf der ganzen Welt nutzen die fortschrittlichen Möglichkeiten des Mid-Infrared Instrument (MIRI) an Bord des James Webb Space Telescope (JWST), um bahnbrechende Beobachtungen von Exoplaneten durchzuführen. Manuel Güdel, Astrophysiker der Universität Wien, ist einer der Entwickler von MIRI. Auch sein Doktorand Gwenaël van Looveren ist einer der Mitautoren der neuen Studie. „JWST revolutioniert die Charakterisierung von Exoplaneten und liefert in bemerkenswerter Geschwindigkeit noch nie dagewesene Erkenntnisse“, so Güdel, ein Co-Principal Investigator des MIRI-Instruments. Eine der faszinierenden Welten, die so untersucht werden können, ist WASP-107b, ein einzigartiger gasförmiger Exoplanet, der einen Stern umkreist, der etwas kühler und weniger massiv ist als unsere Sonne. Der Planet hat eine ähnliche Masse wie Neptun, ist aber viel größer als dieser und erreicht fast die Größe des Jupiters. Diese Eigenschaft macht WASP-107b im Vergleich zu den Gasriesenplaneten in unserem Sonnensystem eher „flauschig“.

Die Flauschigkeit dieses Exoplaneten ermöglicht es den Astronom*innen, etwa 50 Mal tiefer in seine Atmosphäre zu blicken, als dies bei einem Riesen des Sonnensystems wie Jupiter möglich ist. Diese Gelegenheit eröffnete ein Fenster zur Entschlüsselung der komplexen chemischen Zusammensetzung seiner Atmosphäre. Der Grund dafür ist ganz einfach: Die Signale oder spektralen Merkmale sind in einer weniger dichten Atmosphäre viel ausgeprägter als in einer kompakteren Atmosphäre. In der nun als „Fast Track“ in Nature veröffentlichte Studie konnte das Team Wasserdampf, Schwefeldioxid (SO₂) und Silikatwolken nachweisen. Bemerkenswert ist, dass dabei aber keine Spur des Treibhausgases Methan (CH₄) nachweisen konnten. Diese Entdeckungen liefern entscheidende Einblicke in die Dynamik und Chemie dieses faszinierenden Exoplaneten.

Manuel Güdel von der Universität Wien erklärt: „Erstens deutet das Fehlen von Methan auf ein möglicherweise warmes Inneres hin und bietet einen spannenden Einblick in die Bewegung von Wärmeenergie in der Atmosphäre des Planeten. Zweitens war die Entdeckung von Schwefeldioxid (bekannt durch den Geruch von verbrannten Streichhölzern) eine große Überraschung.“ Frühere Modelle hatten dessen Abwesenheit vorhergesagt, aber neuartige Klimamodelle der Atmosphäre von WASP-107b zeigen nun, dass gerade die Flauschigkeit von WASP-107b die Bildung von Schwefeldioxid in seiner Atmosphäre begünstigt. Obwohl sein Wirtsstern aufgrund seiner kühleren Natur nur einen relativ geringen Anteil an hochenergetischen Photonen aussendet, können diese Photonen dank seiner flauschigen Beschaffenheit tief in die Atmosphäre des Planeten eindringen. Dadurch werden die chemischen Reaktionen ermöglicht, die für die Bildung von Schwefeldioxid erforderlich sind.

Wolken aus Sand, Wasser und Schwefeldioxid entdeckt
Eine weitere Entdeckung der neuen Studie: Wolken in großer Höhe verdecken teilweise den Wasserdampf und das Schwefeldioxid in der Atmosphäre. Während Wolken auf anderen Exoplaneten bereits vermutet wurden, ist den Astronom*innen in diesem Fall zum ersten Mal gelungen, die chemische Zusammensetzung dieser Wolken definitiv zu bestimmen. Die Wolken von WASP-107b bestehen demnach aus kleinen Silikatpartikeln, einer dem Menschen vertrauten Substanz, die in vielen Teilen der Welt als Hauptbestandteil von Sand vorkommt.

„Die Entdeckung von Wolken aus Sand, Wasser und Schwefeldioxid auf diesem flauschigen Exoplaneten durch das MIRI-Instrument von JWST ist ein entscheidender Meilenstein. Sie verändert unser Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Planeten und wirft ein neues Licht auf unser eigenes Sonnensystem“, sagt Güdel.

Im Gegensatz zur Erdatmosphäre, in der Wasser bei niedrigen Temperaturen gefriert, können bei Gasplaneten mit Temperaturen um 1000 Grad Celsius Silikatpartikel ausfrieren und Wolken bilden. Im Fall von WASP-107b mit einer Temperatur von rund 500 Grad Celsius in der äußeren Atmosphäre sollten sich diese Silikatwolken nach herkömmlichen Modellen jedoch tiefer in der Atmosphäre bilden, wo die Temperaturen wesentlich höher sind. Außerdem regnen Sandwolken hoch oben in der Atmosphäre ab. Wie ist es dann möglich, dass diese Sandwolken in großen Höhen existieren und fortbestehen?

Michiel Min, Hauptautor der Studie, vom SRON Netherlands Institute for Space Research erklärt: „Die Tatsache, dass wir diese Sandwolken hoch oben in der Atmosphäre sehen, muss bedeuten, dass die Sandregentropfen in tieferen, sehr heißen Schichten verdampfen und der dabei entstehende Silikatdampf effizient wieder nach oben transportiert wird, wo er sich erneut zu Silikatwolken verdichtet. Dies ist dem Wasserdampf- und Wolkenzyklus auf unserer Erde sehr ähnlich, allerdings mit Tröpfchen aus Sand.“ Dieser kontinuierliche Zyklus von Sublimation und Kondensation durch vertikalen Transport ist verantwortlich für die dauerhafte Präsenz von Sandwolken in der Atmosphäre von WASP-107b.

Über die Studie
„Diese Studie vereint die Ergebnisse mehrerer unabhängiger Analysen der JWST-Beobachtungen und spiegelt die jahrelange Arbeit wieder, die nicht nur in den Bau des MIRI-Instruments, sondern auch in die Kalibrierung und die Analysewerkzeuge für die mit MIRI gewonnenen Beobachtungsdaten investiert wurde“, sagt Jeroen Bouwman vom Max-Planck-Institut für Astronomie, Deutschland.

Diese Beobachtungen wurden im Rahmen des Programms 1280 für garantierte Zeitbeobachtungen durchgeführt. Dieses Ergebnis wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht: ‚SO2, silicate clouds, but no CH4 detected in a warm Neptune‘, von Dyrek, Min, Decin et al, 2023, Nature
DOI 10.1038/s41586-023-06849-0
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06849-0

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit bedeutendste Observatorium für Weltraumforschung. Webb löst Rätsel in unserem Sonnensystem, blickt zu fernen Welten um andere Sterne und erforscht die geheimnisvollen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner, der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der Kanadischen Weltraumorganisation.

Das europäische Konsortiumsteam besteht aus 46 Astronom*innen von 29 Forschungseinrichtungen aus 12 Ländern. Von der Universität Wien gehören Manuel Güdel, Nicole Pawellek und die Doktoranden Gwenaël van Looveren und Rodrigo Guadarrama zum Team. „Gemeinsam mit Kollegen aus Europa und den Vereinigten Staaten haben wir das MIRI-Instrument seit fast 20 Jahren gebaut und getestet. Es ist lohnend zu sehen, wie unser Instrument die Atmosphäre dieses faszinierenden Exoplaneten entschlüsselt“, sagt der Instrumentenspezialist Bart Vandenbussche von der KU Leuven.

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: Universität Wien 24. Juli 2023.

Wien, 24. Juli 2023 – Die internationale MINDS-Forschungsgruppe hat mit dem Weltraumteleskop James Webb Wasser in der inneren Region einer Scheibe aus Gas und Staub um einen jungen Stern entdeckt. Gewöhnlich bilden sich in dieser Zone erdähnliche Planeten. Erstmals wurde in einer Scheibe dieser Art, die bereits mindestens zwei Planeten beherbergt, auch Wasser entdeckt. Etwaige Gesteinsplaneten, die in der inneren Scheibe entstehen, würden unmittelbar von einem beträchtlichen Wasserreservoir profitieren, was die Chancen auf eine spätere Lebensfreundlichkeit verbessern würde. In der kürzlich in Nature erschienen Studie berichten die Astronom*innen von ihrer Entdeckung, ein Hinweis auf einen Mechanismus, der potenziell lebensfreundliche Planeten während ihrer Entstehung mit Wasser versorgt. Auch Astrophysiker Manuel Güdel von der Universität Wien ist Mitglied der MINDS-Gruppe.

Wasser ist für das Leben auf der Erde unerlässlich. Wie genau das Wasser auf die Erde oder erdähnliche Exoplaneten gelangt ist, wird jedoch unter Astronom*innen noch diskutiert. Die bisher am weitesten verbreitete Erklärung dafür: Wasserhaltige Asteroiden bombardieren die Oberfläche eines jungen Planeten und bringen so das Wasser dorthin. Die neue Entdeckung lässt nun eine andere Erklärung zu: „Wir haben jetzt möglicherweise Beweise dafür gefunden, dass Wasser eines der frühesten Bestandteile von Gesteinsplaneten sein könnte und bereits bei ihrer Geburt vorhanden ist“, sagt Giulia Perotti, Hauptautorin der Studie und Astronomin am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Deutschland.

Wasser in der inneren Scheibe von PDS 70
Durch Beobachtungen mit MIRI (Mid-InfraRed Instrument) an Bord des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) entdeckten Astronom*innen Wasser in der Nähe des Zentrums der Scheibe um den jungen Stern PDS 70, 370 Lichtjahre von der Erde entfernt. Der Studie zufolge handelt es sich bei dem Wasser um heißen Dampf mit einer Temperatur von glühenden 330 Grad Celsius (600 Kelvin).

„Der erstmalige Nachweis von Wasser in dieser Zone einer planetenbildenden Scheibe ist äußerst spannend, da er damit auch erste Hinweise liefert, dass die Erde in ihrer Entstehungsphase trotz der Anwesenheit der riesigen Gasplaneten Jupiter und Saturn in unserem Sonnensystem wohl nicht vom Wassernachschub abgetrennt war“, erklärt Manuel Güdel. Er ist Mitautor des zugrunde liegenden Artikels, Co-PI (Principal Investigator) von MIRI und Mitglied des Forschungsprogramms MINDS (MIRI Mid-Infrared Disk Survey).

Bislang gibt es noch keine Hinweise auf Planeten in der Nähe des Zentrums der PDS 70-Scheibe. Stattdessen umkreisen zwei Gasriesenplaneten weiter draußen, PDS 70 b und c, den Stern. Bisher wurde angenommen, dass die Riesenplaneten im PDS-70-System, oder ähnlich auch Jupiter und Saturn in der Entstehungsphase unseres Sonnensystems, große Mengen des Scheibenmaterials zu ihrem eigenen Aufbau wegerodieren und damit auch den Wassernachschub von außen in die innere Scheibenzone stoppen.

PDS 70 ist die erste relativ alte Scheibe – etwa 5,4 Millionen Jahre alt – in der Forschende Wasser gefunden haben. Mit der Zeit nimmt der Gas- und Staubgehalt von planetenbildenden Scheiben ab. Entweder entfernen die Strahlung oder der Wind des Zentralsterns Material wie Staub und Gas, oder der Staub wächst zu größeren Objekten heran, die schließlich Planeten bilden. Da frühere Studien kein Wasser in den zentralen Regionen ähnlich entwickelter Scheiben nachweisen konnten, vermuteten die Astronom*innen, dass es die harte Sternstrahlung nicht überleben könnte, was zu trockenen Umgebungen während der Entstehung von Gesteinsplaneten führen würde. Dennoch haben die Astronom*innen nun Wasserdampf in der Scheibe entdeckt.

Woher kommt das Wasser?
Da der Wasserfund für die Forscher*innen eher unerwartet war, stellen sie sich nun die Frage, wie das Wasser in die sternnahen Regionen der Scheibe gekommen sein könnte. Eine Möglichkeit besteht darin, dass das Wasser ein Überbleibsel eines ursprünglich wasserreichen Nebels ist, der dem Scheibenstadium vorausging. Eine weitere Quelle könnte Gas sein, das von den äußeren Rändern der Scheibe von PDS 70 einströmt. Unter bestimmten Umständen können sich Sauerstoff- und Wasserstoffgas verbinden und Wasserdampf bilden.

„Die Wahrheit liegt wahrscheinlich in einer Kombination aus all diesen Möglichkeiten“, sagt Perotti. „Dennoch ist es wahrscheinlich, dass einer dieser Mechanismen eine entscheidende Rolle beim Auffüllen des Wasserreservoirs der PDS 70-Scheibe spielt. In Zukunft wird es darum gehen, herauszufinden, welcher das ist.“

Fest steht jedenfalls, dass ein solches Szenario die Chancen verbessern könnte, Gesteinsplaneten mit reichlich Wasser zu finden, auf denen Leben möglich ist. Die Fortschritte des MINDS-Programms werden schließlich zeigen, ob Wasser in den planetenbildenden Zonen der entwickelten Scheiben um junge Sterne häufig vorkommt oder ob PDS 70 lediglich eine Ausnahme darstellt. Momentan wartet das Team auf eine weitere Reihe von JWST-Beobachtungen, die detaillierte Bilder der inneren Scheibe von PDS 70 liefern werden. Damit will das Team noch genauer feststellen, wie nahe am Stern Wasser vorhanden ist.

„Die JWST-Beobachtung von PDS 70 trägt substantiell zu unserem Verständnis habitabler Planeten bei, also Planeten, auf denen nach unserem Verständnis Leben auf der Oberfläche entstehen und gedeihen kann. Bisher gehen wir davon aus, dass Wasser eine unbedingte Voraussetzung für Leben ist. Dass Wasser schon in der Entstehungsphase erdähnlicher Planeten nahe beim Stern in großen Mengen zur Verfügung steht, eröffnet neue Wege zu belebbaren Planeten“, erklärt Manuel Güdel von der Universität Wien.

Hintergrundinformationen
Das MINDS-Team beobachtete PDS 70 im Rahmen des JWST Guaranteed Time Observation (GTO) Programms 1282, „MIRI EC Protoplanetary and Debris Disks Survey“. Manuel Güdel ist Co-PI des MIRI-Instruments und ist gegenwärtig in dieser Eigenschaft zusätzlich mit dem Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und mit der ETH Zürich affiliiert.

Originalpublikation:
G. Perotti et al., „Water in the terrestrial planet-forming zone of the PDS 70 disk“, Nature (2023).
DOI: 10.1038/s41586-023-06317-9,
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06317-9,
pdf: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06317-9.pdf;

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• Exoplaneten

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Quelle: Universität Wien 15. Juni 2023.

Wien, 15. Juni 2023 – Lichtverschmutzung – zu viel Licht in der Nacht – ist ein Problem für Natur und Naturwissenschafter*innen. Im Fachjournal Science vergleicht der Astrophysiker Stefan Wallner von der Universität Wien aktuelle Methoden und empfiehlt einheitliche Regelungen um den Umweltschutz voranzubringen. Auch für Österreich fordert er ein bundesweites „Lichtverschmutzungsgesetz“.

Lichtverschmutzung hat sehr viele Facetten, die schon bei der Definition anfangen: So kann es beispielsweise um die Aufhellung des Nachthimmels gehen oder um die Ausbreitung der Außenbeleuchtung, die von Satelliten oder Tieren auf unterschiedlichen Arten gesehen werden. Der Astrophysiker Stefan Wallner der Universität Wien erklärt: „Die Definition des Phänomens gibt Hinweise darauf, wie Messungen durchgeführt werden müssen. Aufgrund vieler verfügbarer Geräte und Methoden, die für die unterschiedlichen Ansätze verwendet werden, verfügen Forscher*innen weltweit über eine große Vielfalt, wie sie künstliches Licht in der Nacht untersuchen können. Dies kann aber zu Problemen führen, da verschiedene Beobachtungen dadurch möglicherweise nicht vergleichbar sind.“

Wallner wurde daher zusammen mit internationalen Forschungskolleg*innen vom renommierten Fachjournal Science dazu eingeladen, den aktuellen Wissensstand zusammenzutragen und die derzeit verwendeten Methoden zu überprüfen, um das Ausmaß der auftretenden Lichtverschmutzung zu quantifizieren und die daraus resultierenden Auswirkungen zu analysieren.

Eine besondere Herausforderung dabei stellt dabei der Zusammenhang zwischen Luft- und Lichtverschmutzung dar, an dem Wallner forscht. Wallner: „Die große Veränderlichkeit der Erdatmosphäre wirkt sich erheblich auf die daraus resultierende Lichtverschmutzung aus. Um beide Phänomene gemeinsam einzudämmen, müssen interdisziplinäre Lichtverschmutzungsforscher*innen weltweit zusammenkommen um daran arbeiten, Daten aus aktuell verfügbaren Technologien verständlicher zu nutzen, aber auch über Messstandards und neue Möglichkeiten nachdenken.“

Um die Lichtverschmutzung effektiv einzudämmen braucht es auf diese Erkenntnisse fußende Gesetzgebungen. „Die vor kurzem überholte ÖNORM O 1052 zu Lichtimmissionen sowie das kommende Lichtverschmutzungsgesetz im Land Oberösterreich sind wichtige Schritte. Ein bundesweites Gesetz dazu wird dennoch notwendig sein, um den Natur- und Umweltschutz gegen künstliches Licht bei Nacht maximal anzuheben“, fordert Wallner.

Originalpublikation:
Miroslav Kocifaj, Stefan Wallner. Measuring and monitoring light pollution: Current approaches and challenges.
Science (2023), DOI: 10.1126/science.adg0473, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0473.

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• Lichtverschmutzung

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Quelle: Universität Wien 8. November 2022.

8. November 2022 – Die Himmelskörper unseres Sonnensystems beeinflussen auch die Klimazyklen unserer Erde. Der Frage, wie dieser astronomische „Herzschlag“ das Erdklima in einer frühen Warmzeit änderte, ging ein Team aus Geo- und Klimawissenschafter*innen der Universität Wien gemeinsam mit internationalen Kolleg*innen nach. Anhand von Simulationen und Daten aus Bohrkernen konnte nachgewiesen werden, dass astronomische Zyklen – zusätzlich zu Verschiebungen von Kontinentalplatten und schwankendem CO₂-Anteil in der Atmosphäre – Klimaveränderungen vor etwa 200 Millionen Jahren antrieben. Auch für verbesserte Prognosen können diese neuen Daten aus vergangenen warmen Klimaphasen mit höheren Treibhausgaskonzentrationen interessant sein. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal PNAS publiziert.

Dass die Wechselwirkungen zwischen den Himmelskörpern im Sonnensystem das Klima der Erde periodisch verändern, ist für die vergangenen drei Millionen Jahre klar: „Wir wissen unter anderem, dass Eiszeitzyklen dadurch hervorgerufen wurden, dass sich die Umlaufbahn der Erde und ihre Eigenrotation durch die Anziehungskräfte der Planeten und des Erdmonds periodisch verändern – und das beeinflusst wiederum die Sonneneinstrahlung und damit das Klima“, erklärt der Paläoklimaforscher Jan Landwehrs von der Universität Wien. Diese Zyklen sind eine der wichtigsten natürlichen Antriebskräfte von globalen Klimaveränderungen der jüngeren Erdgeschichte und insbesondere für die vergangenen Eiszeiten verantwortlich.

Wie dies aber auch wärmere Klimaphasen mit höheren Treibhausgaskonzentrationen in der früheren Erdgeschichte beeinflusste, war bisher noch unklar. Dieser Frage ging nun ein Team aus Geolog*innen und Klimaforscher*innen der Universität Wien, des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung und der Universitäten Southampton (UK) sowie Columbia (USA) nach. Die Ergebnisse wurden aktuell im Fachjournal PNAS publiziert.

Neues Klimamodell zeigt Einfluss astronomischer Kräfte
Durch die neue Studie lässt sich der Einfluss anderer Himmelskörper auf das Erdklima auch für die späte Trias und frühe Jura (also vor etwa 230 bis 200 Millionen Jahren) nachweisen, eine Zeit der globalen Erwärmung und hohen CO₂-Konzentration in der Atmosphäre, in der auch bereits Dinosaurier den Superkontinent Pangäa bevölkerten. Das Forschungsteam untersuchte dafür Sediment-Bohrkerne aus dem Newark-Hartford-Becken im Osten der USA, das vor 233 bis 199 Millionen Jahren in den Tropen von Pangäa lag und langsam nach Norden wanderte (von 5° auf 20°).

„Aus diesem geologischen Archiv lässt sich ablesen, dass der Wasserspiegel großer Seen immer wieder innerhalb weniger tausend Jahre stieg und fiel. Durch Klimasimulationen konnten wir darauf aufbauend zeigen, dass die astronomischen Kräfte neben dem CO₂-Gehalt in der Atmosphäre und den tektonischen Plattenbewegungen einen wichtigen Faktor des Klimawandels darstellen“, erklärt Hauptautor Landwehrs, Doktoratsstudent an der Vienna International School of Earth and Space Sciences (VISESS) der Universität Wien, der auch am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung forscht.

Um den außerirdischen Einfluss abzubilden, wurden Simulationen mit dem neu entwickelten Erdsystemmodell CLIMBER-X durchgeführt: „Dieses besonders schnelle Modell erlaubte es erstmals, solche klimatischen Zyklen für weit zurückliegende Zeiträume dynamisch zu simulieren“, erklärt Georg Feulner vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung.

Klimakrise und Massenaussterben
Die Ergebnisse erklären die Vergangenheit, seien aber auch für die Zukunft interessant, „im Hinblick darauf, wie die derzeitige Klimakrise und ein zukünftiges Treibhausklima simuliert und damit vorhergesagt werden kann“, betont Mitautor Michael Wagreich vom Institut für Geologie der Universität Wien. An der Trias-Jura-Grenze vor 200 Millionen Jahren änderte sich das Klima u.a. durch vulkanische CO₂-Emissionen drastisch und es kam zum einem der größten Massenaussterben der Erdgeschichte.

Auch wenn dabei viele Faktoren zusammenspielten und frühere Veränderungen sich oft über viel längere Zeiträume von Tausenden von Jahren erstreckten, zeigt sich jeweils der starke Einfluss von CO₂ auf das Klima: „Wenn wir nicht rasch die Treibhausgase in der Atmosphäre begrenzen, wird unsere Zeit als die des sechsten großen Massenaussterbens in die Erdgeschichte eingehen“, warnt Wagreich.

Originalpublikation:
Landwehrs, J., Feulner, G., Willeit, M., Petri, S., Sames, B., Wagreich, M., Whiteside, J. H. & Olsen, P. E. (2022): Modes of Pangean lake-level cyclicity driven by astronomical climate pacing modulated by continental position and pCO2. PNAS
DOI: 10.1073/pnas.2203818119, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2203818119.

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• Planet Erde

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Quelle: Universität Wien 12. Juli 2022.

12. Juli 2022 – Mit einem Spiegeldurchmesser von 6,5 Metern ist das James Webb Space Telescope (kurz Webb oder JWST) das mit Abstand größte Spiegelteleskop im Weltraum. Es ist am 25. Dezember 2021 als Nachfolger des Hubble-Teleskops in den Weltraum gestartet. Nach einem halben Jahr Inbetriebnahme und Kalibration der Instrumente wurden heute, Dienstag 12. Juli 2022, die ersten Bilder und andere Daten der Öffentlichkeit vorgestellt. Diese ersten Beobachtungen übertreffen die Erwartungen und lassen Durchbrüche in der Erforschung der Ursprünge des Universums und Planeten erahnen. Astrophysiker Manuel Güdel von der Universität Wien war an der Entwicklung des Teleskops beteiligt und bereitet sich auf die Interpretation dieser und noch bevorstehender Beobachtungen vor.

Nach dem Start vom Guiana Space Centre am 25. Dezember 2021 hat das James Webb Space Telescope nun eine Reise von 1,5 Millionen Kilometern hinter sich, eine Strecke etwa vier Mal so lang wie die Distanz Erde-Mond. Am Dienstag, 12. Juli 2022, haben die Weltraumagenturen NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) und die Canadian Space Agency (CSA) die ersten vom JWST aufgenommenen fünf Bilder und Spektren der Öffentlichkeit vorgestellt. Die Bilder werden auf der Webseite der ESA und auf dem Twitter Kanal der ESA zur Verfügung gestellt.

Die Aufnahmen zeigen folgende Motive:
Carina-Nebel: Der Carina-Nebel ist einer der größten und hellsten Gasnebel am Himmel und befindet sich in einer Entfernung von etwa 7.600 Lichtjahren im südlichen Sternbild Carina. In ihm entstehen neue Sterne.

WASP-96 b (Spektrum): WASP-96 b ist ein Riesenplanet außerhalb unseres Sonnensystems, der hauptsächlich aus Gas besteht. Der Planet, der fast 1.150 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, umkreist seinen Stern alle 3,4 Tage.

Südlicher Ringnebel: Der Südliche Ringnebel oder „Eight-Burst“-Nebel ist ein planetarischer Nebel – eine expandierende Gaswolke, die einen sterbenden Stern umgibt. Er hat einen Durchmesser von fast einem halben Lichtjahr und ist etwa 2.000 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Stephans Quintett: Das etwa 290 Millionen Lichtjahre entfernte Stephansquintett befindet sich im Sternbild Pegasus. Es ist die erste kompakte Galaxiengruppe, die im Jahr 1877 entdeckt wurde.

SMACS 0723: Massive Galaxienhaufen im Vordergrund vergrößern und verzerren das Licht der dahinter liegenden Objekte und ermöglichen so einen tiefen Einblick in die extrem weit entfernten und sehr schwachen Galaxienpopulationen. „Das Bild ist bereits empfindlicher als das entsprechende, früher vom Hubble-Teleskop aufgenommene Bild und zeigt nach nur zwölfeinhalb Stunden Belichtung im weiten Hintergrund bereits Galaxien in einem Zustand nur 600 Millionen Jahre nach der Entstehung des Universums vor ca. 13,8 Milliarden Jahren. Das Bild gibt tiefe Einblicke in die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien des Universums“, erklärt Manuel Güdel von der Universität Wien. „Da das JWST im Gegensatz zum Hubble-Teleskop tief im Infrarot-Bereich beobachtet, kann es weiter entfernte Galaxien sehen, die auch weiter zurück in der Zeit liegen. Das kommt daher, dass wegen der Expansion des Universums das Licht dieser Galaxien in den Infrarot-Bereich verschoben wird. Damit zeigen sich bereits die enormen Vorteile von JWST. Wir sind begeistert davon, damit auch einen neuen Wellenlängenbereich durch ein Großteleskop wie das JWST abdecken zu können.“

Beteiligung der Universität Wien
An Bord hat das Teleskop einige Instrumente wie Kameras und Spektrographen für Beobachtungen und Messungen. Bei der Entwicklung von MIRI (Mid Infrared Instrument), einer abbildenden Kamera und einem Spektrometer in einem, ist Manuel Güdel, Leiter des Instituts für Astrophysik an der Universität Wien, seit 2003 federführend beteiligt. Die Spektrographen von MIRI zielen zum Beispiel auch darauf ab, Spektren von Exoplanetenatmosphären aufzunehmen, die in bisher unerreichter Qualität Aufschluss über die Zusammensetzung der Atmosphären geben.

Suche nach erdähnlichen Atmosphären
„Die nun erste derartige Beobachtung des großen, Jupiter-ähnlichen Exoplaneten WASP-96 b während eines Durchgangs vor seinem Stern zeigt ein erstaunliches Spektrum, in dem klar die Anwesenheit von Wasserdampf ersichtlich ist. Noch sind die Daten nicht wissenschaftlich ausgewertet, aber ein Blick auf das Spektrum genügt, um erste Hinweise auf die Zusammensetzung der Atmosphäre zu gewinnen“, berichtet Güdel. Solche Beobachtungen sind der Schlüssel zum Verständnis der Umgebungsbedingungen auf einem Exoplaneten. Dazu gehört auch die Frage, ob bei erdähnlichen Planeten Atmosphären wie die der Erde oder alternative wie jene der Venus gefunden werden.

„Mit umfangreichen Modellrechnungen werden wir in den nächsten Monaten die Spektren weiter modellieren und so auch andere physikalische Größen der Atmosphären bestimmen. Wir werden damit systematisch untersuchen können, welche Ähnlichkeiten die Exoplaneten zu den wenigen Planeten unseres Sonnensystems aufweisen, oder ob sie vielmehr neue, uns bisher verborgene Eigenschaften haben“, erklärt Güdel: „Unser Ziel wird es sein, besser zu verstehen, wie es im Universum überhaupt zu lebensfreundlichen Planeten wie der Erde kommen kann.“

Untersuchung von Planetenentstehung
Ein weiterer Untersuchungspunkt sind sogenannte protoplanetare Scheiben, das sind riesige Gasscheiben von der Größe eines ganzen Sonnensystems, die sich während der Entstehung eines Sterns formen und um den Stern kreisen. In diesen Scheiben spielt sich der Aufbau von Molekülen ab, aber auch die gesamte Planetenentstehung vom Staub bis zum erdähnlichen oder jupiterähnlichen Planeten. Die Scheiben verschwinden nach einigen Millionen Jahren wieder und hinterlassen im Idealfall ein ganzes Planetensystem.

„MIRI ist besonders gut geeignet, um die Scheiben chemisch zu untersuchen, aber auch die festen Bestandteile wie mikroskopisch kleinen ‚Staub‘ zu erforschen. Mit entsprechenden Modellen kann man den Aufbau dieser Scheiben und dadurch ihre Rolle in der Planetenentstehung und damit von Planeten wie der Erde erforschen“, sagt der Astrophysiker Manuel Güdel.

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: Karlsruher Institut für Technologie 10. Juni 2022.

10. Juni 2022 – Waren die Ozeane der Erde im Cryogenium – vor rund 700 Millionen Jahren – vollständig mit Eis bedeckt oder zog sich ein eisfreier Wassergürtel um den Äquator, in dem Schwämme und andere Lebensformen überleben konnten? Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Wien konnte nun in globalen Klimamodellen zeigen, dass ein Klimazustand mit einem Wassergürtel eher unwahrscheinlich und damit keine zuverlässige Erklärung für das Überdauern von Leben im Cryogenium ist. Grund dafür ist der unsichere Einfluss von Wolken auf das damalige Klima. Die Ergebnisse der Studie stellt das Team im Fachjournal Nature Geoscience vor. (DOI: 10.1038/s41561-022-00950-1)

Vom Weltraum aus hätte die Erde während der globalen Eiszeiten im Cryogenium möglicherweise wie ein großer Schneeball ausgesehen. Die Geowissenschaft bezeichnet diese in der Forschung etablierte Annahme einer geschlossenen Meereisdecke deshalb als Schneeballerde-Theorie. Noch ist insbesondere ungeklärt, wie Schwämme – von denen fossile Funde zeugen – in dem sehr kalten Schneeballerde-Klima überlebt haben könnten. Deshalb haben einige Forschende als alternative Theorie einen eisfreien Wassergürtel um den Äquator vorgeschlagen.

Leben trotz wahrscheinlich vereister Ozeane
Klimaforscher des KIT haben gemeinsam mit Kollegen der Universität Wien die klimatischen Bedingungen während des Cryogeniums mit globalen Klimamodellen und einem idealisierten Energiebilanzmodell untersucht. Sie erwarteten, in den simulierten Szenarien einen Klimazustand mit einem Wassergürtel zu finden, um zu untersuchen, unter welchen Bedingungen dieser stabil bleibt. „Wir waren überrascht, dass sich dieser Zustand in den Modellen als nicht robust zeigt“, sagt Christoph Braun vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Department Troposphärenforschung (IMK-TRO) des KIT. Das Leben im Cryogenium sei also wahrscheinlich den harten Evolutionsbedingungen global vereister Ozeane ausgesetzt gewesen.

Aus der Studie ergaben sich neue Erkenntnisse über die Rolle der Wolken: „Wolken und ihre Strahlungsreflexion sind wichtig für die Stabilität eines Wassergürtel-Zustands – dieser starke Einfluss war bisher nicht bekannt“, betont der Doktorand und Erstautor der Studie. Mit dem in der Veröffentlichung vorgeschlagenen Wolken-Reflektivitäts-Mechanismus ließen sich die Ergebnisse früherer Studien neu interpretieren und möglicherweise zu einem in sich stimmigeren Bild verknüpfen.

Wolken erschweren Blick in die Klimavergangenheit
„Mit den globalen Klimamodellen und einem idealisierten Klimabilanzmodell können wir den Einfluss der Reflektivität von Wolken zeigen und die zugrundeliegenden Prozesse erklären“, sagt Braun. „Wie stark die Reflektivität der Wolken im Cryogenium gewesen ist, lässt sich damit jedoch nicht beurteilen, denn die Unsicherheit bei der Repräsentation von Wolken in globalen Klimamodellen ist groß.“ Entscheidend für das Rückstrahlungsvermögen ist, wie effizient Wassertröpfchen in Eis umgewandelt werden, was unter anderem von Art und Menge der als Eiskeime wirkenden Aerosole abhängt. Diese Vorgänge spielen sich auf einer Millimeterskala ab, während sich die Rechengitter der Modelle bislang in der Größenordnung von mehr als 100 Kilometern bewegen. Die Ergebnisse zeigen, dass Wolken entscheidend sind, um Klimaänderungen vorherzusagen und die Dynamik erdgeschichtlicher Vergletscherungen zu verstehen. „Wolken erschweren uns nicht nur den Blick in die Zukunft, sondern auch in die Vergangenheit“, so Braun.

Beurteilung der Bewohnbarkeit von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems
Die Erkenntnisse der Forscher könnten künftig auch nützlich sein, um zu beurteilen, ob Planeten außerhalb unseres Sonnensystems bewohnbar sind. „Interessant wird dies zum Beispiel, wenn zukünftige Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops Blicke auf Wolken in den Atmosphären extrasolarer Planeten ermöglichen“, sagt Braun. Die Forscher des KIT haben die Simulationen auf dem Hochleistungsrechner Mistral des Deutschen Klimarechenzentrums in Hamburg durchgeführt. „Als nächsten Schritt haben wir begonnen, Wolken unter den klimatischen Bedingungen des Cryogeniums auf feineren Rechengittern zu simulieren. So können wir untersuchen, ob und wie die mit den Wolken einhergehende Unsicherheit verringert werden kann“, sagt Braun.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat das im Mai 2022 abgeschlossene Forschungsprojekt innerhalb des DFG-Projekts „Ist die Jormungandhypothese eine mögliche alternative Erklärung für die Neoproterozoischen Eiszeiten?“ drei Jahre lang mit insgesamt 202 000 Euro gefördert. Für die Simulationen wurde das Atmosphärenmodell ICON verwendet, an dessen Entwicklung das KIT in einem Konsortium mit dem Max-Planck-Institut für Meteorologie und dem Deutschen Wetterdienst beteiligt ist.

Über das Karlsruher Institut für Technologie
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 800 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 300 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

Originalpublikation
Christoph Braun, Johannes Hörner, Aiko Voigt, and Joaquim G. Pinto: Ice-free tropical waterbelt for Snowball Earth events questioned by uncertain clouds. Nature Geoscience, 2022, DOI: 10.1038/s41561-022-00950-1.
https://www.nature.com/articles/s41561-022-00950-1

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