Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt. 27. Februar 2024.

27. Februar 2024 – Es ist Segen und Fluch zugleich: Weit oben in der Stratosphäre schützt Ozon die Erde vor übermäßiger UV-Einstrahlung, aber weiter unten ist es eine Gefahr für die Gesundheit der Menschen und für das Klima. Es bildet sich, wenn Schadstoffe wie etwa Stickoxide in der Luft mit Sonnenlicht wechselwirken. In hohen Konzentrationen reizt Ozon bei Menschen die Atemwege. Für das Klima wirkt es als schädliches Treibhausgas. Es ist daher immens wichtig, die Ozonkonzentration mit präzisen Messverfahren feinmaschig zu kontrollieren. Dazu wird die agile Zusammenarbeit zwischen Behörden, wie sie heute von vielen Bürgerinnen und Bürgern gewünscht wird, großgeschrieben: Dem Umweltbundesamt (UBA) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) gelingt diese gemeinsame Qualitätssicherung der Ozonmessungen bereits seit 20 Jahren. Eine Erfolgsgeschichte, die immer wieder neue Herausforderungen meistert, wie die Experten in der aktuellen Ausgabe des Fachblatts Gefahrstoffe berichten.

Ozon ist eigentlich ein Sommergas. Es bildet sich umso mehr, je intensiver die Sonne scheint. „So gesehen liegt das 20-jährige Jubiläum der Zusammenarbeit von PTB und UBA in der falschen Jahreszeit“, scherzt Jantje Kalin vom Geschäftsführungsteam des PTB-Innovationsclusters Umwelt und Klima der PTB. „Doch es ist wichtig, jetzt schon darauf hinzuweisen, dass Ozonmessungen zukünftig noch genauer werden und Ozon mit seinen schädlichen Wirkungen dadurch wieder öfter in den Fokus der Öffentlichkeit rücken könnte.“

Der Hintergrund: Der sogenannte Absorptionsquerschnitt von Ozon ist schon vor einigen Jahren neu vermessen worden. Er wird nun demnächst in alle Ozonmessungen eingehen, sodass diese genauer, aber damit auch höher werden. Der Absorptionsquerschnitt ist ein Maß für die Stärke einer Wechselwirkung zwischen Strahlung und Teilchen. In diesem konkreten Fall geht es um Ozonteilchen und die Strahlung, die bei ihrer Messung eingesetzt wird: In einem Photometer wird UV-Licht durch eine Absorptionszelle mit ozonhaltiger Luft geschickt. Die Ozonteilchen absorbieren Licht – je mehr Teilchen, desto mehr Absorption.

Durch die neue, metrologische Vermessung des Absorptionsquerschnitts werden die Messungen des Ozons genauer. Olav Werhahn, ebenfalls vom Geschäftsführungsteam des PTB-Innovationsclusters Umwelt und Klima, ergänzt: „Die Einführung des neuen Wertes zum 1. Januar 2025 wird dazu führen, dass sich weltweit alle Ozonmesswerte, die mittels Standard-Referenzphotometern bestimmt werden, schlagartig um 1,3 % nach oben ändern. Das kann zur Folge haben, dass die Grenzwerte häufiger überschritten werden.“

Dann könnte es im Sommer wieder öfter heißen: Vorsicht vor zu hohen Ozonwerten! Bitte möglichst keinen Sport im Freien treiben! Laut UBA haben die Ozon-Spitzenwerte in den letzten Jahren zwar etwas abgenommen – allerdings bei höherer Dauerbelastung. „Wenn die Grenzwerte jetzt wieder häufiger überschritten werden, tritt die Belastung durch Ozon wieder mehr ins Bewusstsein der Bevölkerung. Dies finde ich sehr wichtig, denn mit dem Bewusstsein des hohen Risikos von Ozon für die Gesundheit kann dagegen auch mehr getan werden“, erklärt Jantje Kalin. „Darum sind hochgenaue Messungen so wichtig.“
Zusammen sorgen PTB und UBA dafür, dass die Überwachung der Luftqualität in Deutschland auf einer sicheren Basis ruht. „Die Zusammenarbeit verbessert die kontinuierlichen Prüfungen der vielen entsprechenden Ozon-Messgeräte der Länder, aber auch derjenigen, die in der Industrie im Einsatz sind. Und es kommt allen Messungen weltweit zugute, denn die Referenzgeräte von PTB und UBA bringen ihre Messqualität über sogenannte Ringvergleiche in viele Länder auf allen Kontinenten“, erklärt Olav Werhahn. Das Ziel ist es, die internationale Vergleichbarkeit und die hohen Qualitätsanforderungen, wie sie in der Klimabeobachtung gebraucht werden, überall zu garantieren. Die Ergebnisse solcher Vergleiche werden vom Internationalen Büro für Maße und Gewicht (BIPM) veröffentlicht. Damit tragen die beiden Ozon-Standard-Referenzphotometer Deutschlands federführend zur Sicherstellung der Qualität internationaler Ozon-Messungen bei.

Für die PTB haben die Standard-Referenzphotometer darüber hinaus eine besondere Bedeutung. Als Gerätestandard sind sie ein Vorbild für die Entwicklung neuer optischer Gasstandards. Diese benötigen in Zukunft keine Vorkalibrierung mehr mit einem Referenzgas, sondern stützen sich wie die Ozon-Standards nur noch auf Spektraldaten sowie Messungen von Gasdruck und Gastemperatur. „Messgeräte wie die Ozon-Referenzphotometer sind die Zukunft für genaue Gasmessungen“, sagt Olav Werhahn. „Und diese werden für die Messung von Gasen immer wichtiger“.

PTB-Innovationscluster Umwelt und Klima
Sinnvolles Handeln braucht vertrauenswürdige, also qualitätsgesicherte Daten. Wer verlässliche Aussagen über Ökosysteme oder Klimaveränderungen machen will, braucht genaue Messungen. Die PTB ermöglicht solche Messungen in einzigartiger Genauigkeit und macht sie weltweit vergleichbar. Ihr Innovationscluster Umwelt und Klima ist eines von sechs übergreifenden Clustern, die die großen Fragen der Gegenwart und Zukunft im Blick haben.

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• Planet Erde

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 18. April 2023

Sterne, die vergleichsweise große Mengen schwerer Elemente enthalten, bieten ungünstigere Bedingungen für das Entstehen komplexen Lebens als metallarme Sterne. Zu diesem Ergebnis kommt eine internationale Gruppe von Forscherinnen und Forschern der Max-Planck-Institute für Sonnensystemforschung (Göttingen) und für Chemie (Mainz) sowie der Universität Göttingen. Das Team hat gezeigt, in welchem Zusammenhang die Metallizität eines Sterns steht zu der Fähigkeit seiner Planeten, eine schützende Ozonschicht aufzubauen. Entscheidend dafür ist die Intensität des ultravioletten Lichts, das der Stern ins All abstrahlt, in verschiedenen Wellenlängenbereichen. Die Studie, die heute in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlich wurde, liefert Forschenden, die den Himmel mit Weltraumteleskopen nach bewohnbaren Sternsystemen durchforsten, wichtige Hinweise, wo die Suche besonders erfolgversprechend sein könnte. Zudem legt sie einen verblüffenden Schluss nahe: Mit zunehmendem Alter wird das Universum ein Ort, der für die Entstehung von Leben auf neuen Planeten immer unfreundlicher wird.

Auf der Suche nach bewohnbaren oder gar bewohnten Planeten, die um ferne Sterne kreisen, beschäftigen sich Forschende seit einigen Jahren zunehmend mit den Gashüllen dieser Welten. Lassen sich in Beobachtungsdaten Hinweise auf eine Atmosphäre finden? Enthält diese vielleicht sogar Gase wie Sauerstoff oder Methan, die auf der Erde fast ausschließlich als Stoffwechselprodukte von Lebewesen entstehen? In den nächsten Jahren werden solche Untersuchungen in völlig neue Bereiche vorstoßen: Das James-Webb-Teleskop der NASA wird es nicht nur ermöglichen, die Atmosphären großer Gasriesen wie Super-Neptune zu charakterisieren, sondern auch erstmals die viel schwächeren spektrographischen Signale von Gesteinsplanetenatmosphären zu analysieren.

Die aktuelle Studie wendet sich mit Hilfe von Modellrechnungen dem Ozongehalt von Exoplaneten-Atmosphären zu. Wie auf der Erde kann diese Verbindung aus drei Sauerstoffatomen die Planetenoberfläche (und Lebensformen, die sich auf ihr aufhalten) vor zellschädigender ultravioletter (UV-)Strahlung schützen. Eine Hülle aus Ozon ist somit eine wichtige Voraussetzung für das Entstehen komplexen Lebens. „Wir wollten verstehen, welche Eigenschaften ein Stern mitbringen muss, damit seine Planeten eine schützende Ozonschicht ausbilden können“, erklärt MPS-Wissenschaftlerin Dr. Anna Shapiro, Erstautorin der aktuellen Studie, den Grundgedanken.

Wie oft in der Wissenschaft wurde auch diese Fragestellung durch die Ergebnisse einer früheren Studie angestoßen. Vor drei Jahren hatten Forschende unter der Leitung des MPS die Helligkeitsschwankungen der Sonne mit denen hunderter sonnenähnlicher Sterne verglichen. Das Ergebnis: Die Intensität des sichtbaren Lichts vieler dieser Sterne schwankt viel stärker als die der Sonne. „Wir haben riesige Intensitätsspitzen gesehen“, sagt Dr. Alexander Shapiro, der sowohl an den Analysen von vor drei Jahren als auch an der aktuellen Studie beteiligt war. „Es ist also durchaus möglich, dass auch die Sonne zu solchen Intensitätsspitzen fähig ist. In diesem Fall würde auch die Intensität des ultravioletten Lichts dramatisch ansteigen“, fügt er hinzu. „Da haben wir uns natürlich gefragt, was das für das Leben auf der Erde bedeuten würde und wie die Situation in anderen Sternensystemen ist“, sagt Prof. Dr. Sami Solanki, Direktor am MPS und ebenfalls Koautor beider Studien.

UV-Strahlung als Fluch und Segen
An der Oberfläche etwa der Hälfte aller Sterne, um die nachweislich Exoplaneten kreisen, herrschen Temperaturen zwischen etwa 5000 und etwa 6000 Grad Celsius. Die Forschende wandten sich in ihren Rechnungen deshalb dieser Untergruppe zu. Mit einer Oberflächentemperatur von etwa 5500 Grad Celsius gehört ihr auch die Sonne an. „In der Atmosphärenchemie der Erde kommt der ultravioletten Strahlung von der Sonne eine zweifache Rolle zu“, erklärt Dr. Anna Shapiro, die sich vor ihrer Zeit am MPS vor allem mit dem Einfluss der Sonnenstrahlung auf die Erdatmosphäre beschäftigt hatte. In Reaktionen mit einzelnen Sauerstoffatomen und Sauerstoffmolekülen kann Ozon sowohl entstehen, als auch vernichtet werden. Während die langwellige UV-B-Strahlung Ozon zerstört, trägt die kurzwellige UV-C-Strahlung dazu bei, dass in der mittleren Atmosphäre schützendes Ozon entstehen kann. „Es war daher naheliegend anzunehmen, dass ultraviolettes Licht einen ähnlich komplexen Einfluss auch auf die Atmosphären von Exoplaneten haben könnte“, fügt die Astronomin hinzu.

Die Forschenden berechneten deshalb, genau aus welchen Wellenlängen sich das ultraviolette Licht, dass die Sterne abstrahlen, zusammensetzt. Dabei betrachteten sie erstmals auch den Einfluss der Metallizität. Diese Eigenschaft beschreibt, in welchem Verhältnis Wasserstoff und schwerere Elemente (von Astrophysikern vereinfachend und etwas irrführend als Metalle bezeichnet) im Baumaterial des Sterns vorliegen. Im Fall der Sonne kommen auf ein Eisenatom mehr als 31.000 Wasserstoffatome. Die Studie berücksichtigt auch Sterne mit geringerem und höherem Eisenanteil.

In einem zweiten Schritt ging das Team der Frage nach, wie sich die berechnete UV-Strahlung auf die Atmosphäre von Planeten auswirken würde, die in einem lebensfreundlichen Abstand um diese Sterne kreisen. Als lebensfreundlich gelten solche Abstände, die moderate Temperaturen – weder zu heiß noch zu kalt – an der Planetenoberfläche zulassen. Für solche Welten simulierte das Team am Computer, welche Prozesse genau das charakteristisch zusammengesetzte UV-Licht des Muttersterns in der Planetenatmosphäre in Gang setzt.

Um die Zusammensetzung von Planetenatmosphären zu berechnen, verwendeten die Forschenden ein Chemie-Klima-Modell. Es simuliert die Prozesse, die Sauerstoff, Ozon und viele andere Gase steuern, sowie deren Wechselwirkung mit ultraviolettem Licht von Sternen in sehr hoher spektraler Auflösung. Dieses Modell machte es möglich, eine Vielzahl von Bedingungen auf Exoplaneten zu untersuchen und mit der Historie der Erdatmosphäre in der letzten halben Milliarde Jahre zu vergleichen. In diesem Zeitraum bildeten sich der hohe Sauerstoffgehalt der Atmosphäre und die Ozonschicht, die die Entwicklung des Lebens an Land auf unserem Planeten ermöglichten. „Es ist vorstellbar, dass die Geschichte der Erde und ihrer Atmosphäre Hinweise auf die Entwicklung des Lebens enthält, die auch auf Exoplaneten zutreffen könnten“, sagt Jos Lelieveld, geschäftsführender Direktor des MPI für Chemie, der an der Studie beteiligt war.

Aussichtsreiche Kandidaten
Das Ergebnis überraschte. Zwar strahlen metallarme Sterne insgesamt mehr UV-Strahlung ab als metallreiche. Doch auch das Verhältnis von ozon-erzeugender UV-C-Strahlung und ozon-vernichtender UV-B-Strahlung hängt kritisch von der Metallizität ab: Bei metallarmen Sternen überwiegt die UV-C-Strahlung, so dass eine dichte Ozonschicht entstehen kann. Bei metallreichen Sternen mit ihrer überwiegenden UV-B-Strahlung fällt diese schützende Hülle deutlich dürftiger aus.

„Anders als erwartet, dürften somit metallarme Sterne günstigere Bedingungen für die Entstehung von Leben bieten“, fasst Dr. Anna Shapiro zusammen. Diese Erkenntnis könnte hilfreich sein für künftige Weltraummissionen wie die PLATO-Mission der ESA, die eine riesige Anzahl von Sternen nach Anzeichen bewohnbarer Exoplaneten durchforsten sollen. Mit 26 Teleskopen an Bord startet die gleichnamige Sonde 2026 ins All und wird ihr Augenmerk in erster Linie auf erdähnliche Planeten richten, die sonnenähnliche Sterne in einem lebensfreundlichen Abstand umkreisen. Das Datenzentrum der Mission entsteht derzeit am MPS. „Unsere aktuelle Studie gibt uns wertvolle Hinweise, welche Sterne wir mit besonderer Aufmerksamkeit beobachten sollten“, so Prof. Dr. Laurent Gizon, Geschäftsführender Direktor des MPS und Ko-Autor der aktuellen Studie.

Paradoxe Schlussfolgerung
Zudem ergibt sich aus der Studie eine geradezu paradox anmutende Schlussfolgerung: Mit zunehmendem Alter dürfte das Universum immer lebensfeindlicher werden. Metalle und andere schwere Elemente entstehen im Innern von Sternen am Ende ihres mehrere Milliarden Jahre währenden Lebens und werden – je nach Masse des Sterns – als Sternwind oder bei einer Supernova-Explosion ins All abgegeben: der Baustoff für die nächste Sterngeneration. „Jedem neu entstehenden Stern steht deshalb metallreicheres Baummaterial zur Verfügung als seinen Vorgängern. Die Sterne im Universum werden von Generation zu Generation immer metallreicher“, so Dr. Anna Shapiro. Gemäß der neuen Studie sinkt somit mit zunehmendem Alter des Universums auch die Wahrscheinlichkeit, dass Sternsysteme Leben hervorbringen. Aussichtslos ist die Suche nach Leben jedoch nicht. Schließlich haben viele Wirtssterne von Exoplaneten ein ähnliches Alter wie unsere Sonne. Und von diesem Stern ist ja bekannt, dass er durchaus komplexe und interessante Lebensformen auf mindestens einem seiner Planeten beherbergt.

Originalveröffentlichung
A. Shapiro et al.: Metal-rich stars are less suitable for the evolution of life on their planets. Nature Communications, 18. April 2023

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• Sternentwicklung

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Quelle: DLR 7. September 2022.

7. September 2022 – Chlorophyllin, Beta-Carotin, Melanin, Chitin, Zellulose, Naringenin, Querzetin – solche exotisch klingenden biologischen Verbindungen sind wichtige Bestandteile irdischer Organismen, die extreme Umweltbedingungen aushalten. Zwischen Oktober 2014 und Februar 2016 wurden diese sieben Moleküle einem Langzeit-Stresstest im Weltall unterzogen. Überleben diese Substanzen auch die harten Strahlungsbedingungen im All? Wie stark setzen ihnen die extremen Temperaturunterschiede dort zu? Wie verändern sie sich? Und könnten sie beispielsweise auf dem Mars auch mit ferngesteuerten Messinstrumenten identifiziert werden? 469 Tage wurden die Biomoleküle an der Außenwand der Internationalen Raumstation ISS der intensiven Strahlung und dem alle 90 Minuten wechselnden Tag-und-Nacht-Rhythmus ausgesetzt. Das Ergebnis des vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) angeführten Experiments zeigt, dass die Biomoleküle im Marsboden zum einen fast unverändert überleben würden, vor allem aber mit der Methode der Raman-Spektroskopie auf dem Mars identifiziert werden könnten.

„Unsere Ergebnisse sind die ersten systematisch gemessenen Raman-Signaturen, quasi Fingerabdrücke von isolierten und im niedrigem Erdorbit dem Weltall ausgesetzten Biomolekülen“, erklärt Dr. Mickael Baqué vom DLR-Institut für Planetenforschung. „Sie bestätigen, dass wir die Raman-Spektroskopie, eine schnelle und zerstörungsfreie Messtechnik, für die Suche nach Spuren von Leben auf dem Mars einsetzen können – insbesondere im von der UV-Strahlung abgeschirmten Untergrund.“ Mickael Bacqué ist Erstautor einer nun im Wissenschaftsmagazin Science Advances erschienen Studie, die Messungen und Ergebnisse des Experiments BIOMEX zusammenfasst. BIOMEX steht für BIOlogy and Mars EXperiment und war eines von vier Experimenten, die unter dem Namen EXPOSE-R2 zusammengefasst waren. Die Experimente wurden gemeinsam von der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der russischen Agentur Roskosmos auf der ISS durchgeführt. Am 18. Juni 2016 kehrten die nach dem Experiment vor Licht- und Umwelteinflüssen geschützten Proben mit dem ESA-Astronauten Tim Peake in einer Sojus-Kapsel zur Erde zurück. Die Auswertung erfolgte unter anderem am DLR.

Gab oder gibt es Leben auf dem Mars?
Die Suche nach fossilen oder noch heute lebenden Organismen auf anderen Himmelskörpern ist eine der großen Triebfedern der aktuellen Planetenforschung. Leben ist bisher nur auf der Erde bekannt, aber es ist denkbar, dass sich Leben einst auch auf dem Mars, dem äußeren Nachbarplaneten der Erde, entwickelte oder dort vielleicht sogar noch heute existiert. Vor drei bis vier Milliarden Jahren gab es Wasser auf dem Mars, die Atmosphäre war dichter als heute und die Temperaturen höher. Mobile Marsroboter wie der vor zehn Jahren im Krater Gale gelandete Rover Curiosity haben in Sedimentgesteinen nachgewiesen, dass die wichtigsten chemischen Elemente für die Voraussetzungen von Leben vorhanden sind, wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor. Spuren von Leben, sogenannte Biosignaturen, wurden jedoch noch nicht entdeckt. „Die jetzt in BIOMEX exponierten und danach untersuchten Biomoleküle spielen eine Schlüsselrolle für die aktuelle und zukünftige Suche nach Biosignaturen“, erläutert der damalige Leiter des BIOMEX-Experiments Dr. Jean-Pierre Paul de Vera vom Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) in der DLR-Einrichtung Raumflugbetrieb und Astronautentraining. „Denn um den Nachweis von Lebensspuren überhaupt führen zu können, müssen wir wissen, was die harschen Umweltbedingungen mit potentiellen Organismen und ihren molekularen Bestandteilen auf dem Mars machen, wie stabil sie sind oder wie sie sich gegebenenfalls durch die UV-Strahlung verändern und das dadurch gemessene Signal variiert.“

Manche Organismen mögen es extrem – wie auf dem Mars
Vor allem die auf dem Mars viel stärkere UV-Strahlung und eine die Moleküle ionisierende Strahlung, aber auch die oxidierende Umgebung und extreme Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht setzen fossilen oder existierenden Organismen zu. Das geschieht nicht nur auf dem Boden, sondern auch in Zentimetern bis zu Metern unter der Oberfläche. Für BIOMEX wurden deshalb sieben Molekülsorten für mehrere hundert Proben ausgewählt, beispielsweise Archaeen, einzellige Organismen ohne Zellkern, wie sie auch ganz am Anfang der Entwicklung von Leben auf der Erde standen und deren Existenz vor Milliarden Jahren auch auf dem Mars für möglich gehalten wird. Die für BIOMEX ausgewählten Biomoleküle sind Bestandteil von irdischen Organismen, die unter extremsten Bedingungen – Trockenheit, Kälte, Hitze, UV-Strahlung – zu überleben in der Lage sind, sogenannte extremophile Organismen.

An solchen Biomolekülen wurde bei Laboruntersuchungen auf der Erde bereits gezeigt, dass sie mit Raman-Spektroskopie (siehe auch untenstehender Kasten) identifiziert werden können. Für BIOMEX wurden die Biomoleküle auf zwei unterschiedlichen, am Museum für Naturkunde Berlin entwickelten Mars-Analogmaterialien aufgebracht beziehungsweise mit dem Regolith, dem simulierten Marsboden, vermischt: einmal ein Regolith, der mehr aus Schichtsilikaten besteht und der dem frühen Mars entspricht, und zum anderen ein schwefelhaltiges Substrat, das eher einem im Mars-Mittelalter entstandenen Regolith ähnelt. Anschließend wurden die Proben in drei Lagen unter hochtransparentem Glas von einer der Marsatmosphäre entsprechenden ‚Luft‘ umgeben bzw. vakuumiert, so dass nur die oberste Lage den Weltraumbedingungen direkt ausgesetzt war, und bei den beiden darunterliegenden Lagen die Biomoleküle gewissermaßen geschützt sind und Proben unter der Marsoberfläche repräsentieren. BIOMEX wurde am 24. Juli 2014 mit der Versorgungsmission Progress 56P zur ISS gebracht und am 22. Oktober 2014 von den Kosmonauten Maxim Surajew und Alexandr Samokutjaew durch Entfernen der Schutzabdeckung am Swesda-Modul der Raumstation den Weltraumbedingungen ausgesetzt.

ISS war die ideale Plattform für BIOMEX
„Die ISS umkreist die Erde in rund 400 Kilometer Höhe. Dort ist die UV-Strahlung um ein Vielfaches stärker als auf der Erde“, erklärt de Vera. „Die ISS bot ideale Voraussetzungen für dieses Experiment, denn die Weltraumbedingungen kommen der Situation auf dem Mars, dessen Schutz durch die Atmosphäre wesentlich geringer ist als auf der Erde und deshalb ebenfalls viel UV-Strahlung empfängt, viel näher.“ Ein Teil von BIOMEX war auch ein von der DLR-Wissenschaftlerin Dr. Petra Rettberg geleitetes, begleitendes Experiment im DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln, wo die gleichen Biomoleküle unter Quasi-Marsbedingungen in einer Weltraum-Simulationskammer typischen Strahlungsbedingungen und Temperaturunterschieden ausgesetzt waren. Nach der Rückkehr von BIOMEX wurden die Proben aus dem All und die des irdischen Labors verglichen.

„Die Datenauswertung gestaltete sich sehr aufwendig und musste sehr sorgfältig vorgenommen werden“, blickt Baqué auf anstrengende Jahre nach dem Experiment zurück. „Besonders schwierig wurde es dann, wenn sich in den Raman-Spektren zu den Signaturen der Biomoleküle auch diagnostische Linien von abiotischen Stoffen, also beispielsweise dem eisenhaltigen Mineral Hämatit oder von nicht-organischem Kohlenstoff gesellten und wir das auseinanderhalten mussten. Aber am Ende haben wir jetzt ein solides Ergebnis vorliegen, mit dem die Suche nach früherem oder noch existierendem Leben auf dem Mars wirklich verbessert werden kann.“ Wie erwartet, veränderte die ultraviolette Strahlung die Signale des Raman-Spektrums bei all jenen Proben stark, die sich in der Versuchsanordnung oben an der Oberfläche befanden und unmittelbar der UV-Strahlung ausgesetzt waren. Aber es wurden nur geringfügige Änderungen der Spektren beobachtet, wenn die beiden darunter folgenden Probenreihen vor dem UV-Licht abgeschirmt waren.

„Diese Erkenntnis ist für diejenigen Marsmissionen, die nach Biosignaturen unter der Marsoberfläche suchen, von fundamentaler Bedeutung“, freut sich de Vera. „Biosignaturen direkt auf der Oberfläche sind für die Raman-Spektroskopie allerdings schwieriger zu identifizieren. Doch dafür gibt es andere, heute noch besser geeignete Methoden.“ Raman-Spektroskopie wird aktuell auf der seit 2021 im Krater Jezero operierenden NASA-Mission Mars 2020 und ihrem Rover Perseverance mit den Experimenten SuperCam und SHERLOC durchgeführt. Außerdem soll sie auf der europäischen Mission ExoMars mit dem Rover Rosalind Franklin zum Einsatz kommen. An beiden Missionen sind auch DLR-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beteiligt.

Mit BIOMEX wurde die Möglichkeit des Nachweises von im All ausgesetzten und in Mars-analoger Umgebung befindlichen Biomolekülen durch Raman-Spektroskopie demonstriert. Damit ist auch eine Grundlage für eine konsolidierte, weltraumerprobte Datenbank von spektroskopischen Biosignaturen in extraterrestrischen Umgebungen gelegt.

Neben den DLR-Instituten für Planetenforschung, für Optische Sensorsysteme und für Luft- und Raumfahrtmedizin sowie dem Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) in der DLR-Einrichtung Raumflugbetrieb und Astronautentraining waren in Deutschland das Robert-Koch-Institut, das Museum für Naturkunde und die TU Berlin, die TH Wildau, das Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie, das GFZ Potsdam, die Universität Potsdam sowie die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf involviert.

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• **ISS** Forschung & Forschungseinrichtungen

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Quelle: DESY.

Ein neues Weltraumteleskop wird einen bislang unerreichten Blick auf den Sternenhimmel im ultravioletten Licht ermöglichen: Der Satellit ULTRASAT soll grundlegende neue Erkenntnisse über energiereiche Phänomene wie Supernova-Explosionen, kollidierende Neutronensterne und aktive Schwarze Löcher sammeln, die auch Gravitationswellen erzeugen und als kosmische Teilchenbeschleuniger fungieren können. Der Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft, Otmar D. Wiestler, und der Direktor des Helmholtz-Zentrums DESY, Helmut Dosch, haben am Montag in Rehovot eine Kooperation mit dem israelischen Weizmann-Institut für Wissenschaften über eine deutsche Beteiligung an dem israelisch geführten Vorhaben vereinbart. DESY wird demnach die 100-Megapixel-UV-Kamera für das Weltraumteleskop bauen. Für das Projekt hat DESY sich mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR vernetzt, das ebenfalls zur Helmholtz-Gemeinschaft gehört.

„Helmholtz hat seit Jahrzehnten vielfältige und exzellente wissenschaftliche Kooperationen mit israelischen Partnern. Nun gehen wir gemeinsam mit dem Weizmann-Institut für Wissenschaften einen weiteren wichtigen Schritt auf dem Gebiet der Astrophysik. Das freut mich außerordentlich“, sagt Helmholtz-Präsident Otmar D. Wiestler. „Die Zusammenarbeit beim Weltraumteleskop ULTRASAT hat das Potenzial, völlig neue Grundlagen für die Detektion von Gravitationswellen und verwandten astrophysikalischen Ereignissen zu schaffen, die international auf Spitzenniveau liegen.“

DESY-Direktor Helmut Dosch ergänzt: „Uns verbindet mit einer Reihe israelischer Partner eine lange, fruchtbare Zusammenarbeit. Diese Erfolgsgeschichte schreiben wir nun mit der Beteiligung an dem anspruchsvollen Satellitenprojekt des Weizmann-Instituts für Wissenschaften fort.“ DESYs Forschungsdirektor für Astroteilchenphysik, Christian Stegmann, betont: „ULTRASAT bietet uns einzigartige Einblicke ins Hochenergie-Universum. Mit der Kamera für das Teleskop kann DESY seine herausragende Expertise in der Detektorentwicklung für die Astroteilchenphysik sowie für die Röntgenphysik kombinieren und einbringen.“

ULTRASAT wird den Himmel im ultravioletten Bereich (220 bis 280 Nanometer Wellenlänge) des elektromagnetischen Spektrums untersuchen und dabei ein besonders großes Gesichtsfeld von 225 Quadratgrad besitzen – das ist rund 1200 Mal so groß wie der Vollmond am irdischen Himmel erscheint. „Diese einzigartige Konfiguration wird uns helfen, einige der großen Fragen der Astrophysik zu beantworten“, betont Chefwissenschaftler Eli Waxman vom Weizmann-Institut für Wissenschaften.

So soll der Satellit beispielsweise nach dem Ursprung der schweren chemischen Elemente fahnden. Außer den leichtesten, vor allem Wasserstoff und Helium, sind die schwereren Elemente erst durch Kernfusion im Kosmos entstanden. Sterne gewinnen aus dieser Kernfusion ihre Energie, doch das funktioniert nur bis zum Eisen. Die Fusion schwererer Elemente wie Blei oder Gold kostet Energie. Diese Elementsynthese geschieht in den gewaltigsten Prozessen im Universum, etwa bei der Explosion eines Sterns als Supernova oder bei der Kollision zweier Neutronensterne – das sind die Kerne ausgebrannter Sonnen, die unter dem eigenen Gewicht so weit in sich zusammengestürzt sind, dass sie eine Dichte haben wie ein gigantischer Atomkern. Jedes Goldatom auf der Erde und im übrigen Kosmos stammt also aus einer explodierenden Sonne oder aus einem Neutronenstern-Crash.

„Wir wollen genau verstehen, wie die Elemente erzeugt und wie sie verteilt werden“, erläutert der Leitende Wissenschaftler David Berge von DESY. Sowohl Supernova-Explosionen als auch Neutronensternkollisionen lassen sich besonders gut im UV-Licht verfolgen, wie Berge betont. „Die direkte Phase einer Supernova in den ersten Minuten, Stunden und Tagen ist vor allem im UV zu sehen. In dieser Zeit enthält das UV-Licht charakteristische Signaturen, die auf den Vorgängerstern schließen lassen.“ Erst danach bricht irgendwann eine Schockwelle aus dem heißen Feuerball, in der auch geladene subatomare Teilchen auf hohe Energien beschleunigt werden. „Der Satellit kann uns also helfen, die Entstehung solcher kosmischen Teilchenbeschleuniger zu verstehen“, sagt Berge. „Wir möchten auch erkunden, welcher Typ Stern in welcher Art Supernova explodiert.“

ULTRASAT ist besonders für energiereiche Phänomene empfindlich. „Alles, was extrem heiß wird, leuchtet hell im UV-Licht“, berichtet DESY-Forscher Rolf Bühler, Projektleiter für die UV-Kamera. Dazu gehören auch aktive Schwarze Löcher, die sich Materie aus der Umgebung einverleiben und ebenfalls Teilchen beschleunigen, sowie kollidierende Neutronensterne. Die Beobachtung von Neutronenstern-Crashs kann dabei nicht nur über die Elementsynthese im Kosmos Aufschluss geben, sondern ist auch für die Gravitationswellen-Forschung von großer Bedeutung. „Wenn von verschmelzenden Neutronensternen Gravitationswellen registriert werden, lässt sich deren Position anhand der Gravitationswellendaten bislang nur grob eingrenzen“, erläutert Bühler. „ULTRASAT kann innerhalb von höchstens 30 Minuten auf die Zielregion schwenken und dank seines großen Gesichtsfeldes die genaue Position anhand der UV-Strahlung nahezu sofort bestimmen.“

Damit hat der Satellit eine entscheidende Funktion für das noch junge Feld der Multi-Messenger-Astronomie (MMA), die das Universum über verschiedene Boten wie kosmische Teilchen, Gravitationswellen und elektromagnetische Strahlung untersucht und einen neuen Schwerpunkt bei DESY bildet. Mit seinem großen Gesichtsfeld wird der Satellit einen besonders großen Himmelsausschnitt im Blick haben und dadurch auch unbekannte, plötzlich aufflammende Objekte im UV-Bereich entdecken können.

Mit einem Gesamtgewicht von nur 160 Kilogramm und einem Volumen von weniger als einem Kubikmeter ist ULTRASAT (Ultraviolett Transient Astronomy Satellite) ein wissenschaftlicher Kleinsatellit. Finanzierung und Management teilen sich das Weizmann-Institut für Wissenschaften und die Israelische Raumfahrtagentur ISA. Der Start ist für 2023 geplant. Anschließend soll das Weltraumteleskop drei Jahre lang Daten sammeln. Es wird dazu in einem Orbit rund 35 000 Kilometer über der Erdoberfläche stationiert. Das garantiert, dass störende ultraviolette Hintergrundstrahlung, die die Erdatmosphäre von der Sonne reflektiert, vernachlässigbar ist und daher große Himmelsbereiche beobachtet werden können. UV-Strahlung lässt sich nur aus dem Erdorbit beobachten, weil sie von der Erdatmosphäre zu großen Teilen absorbiert und reflektiert wird.

Die UV-Kamera, die DESY entwickelt und baut, wird das Herzstück des Teleskops. Sie wird eine UV-empfindliche Sensorfläche von neun mal neun Zentimetern bekommen und eine Auflösung von 100 Megapixel besitzen. Damit betreten die Entwickler Neuland: Eine UV-Weltraumkamera mit derartiger Auflösung und Empfindlichkeit ist bislang nirgends gebaut worden. Für die Kamera arbeiten bei DESY Expertinnen und Experten aus der Astroteilchenphysik mit Spezialistinnen und Spezialisten für Detektorentwicklung aus dem Bereich Forschung mit Synchrotronstrahlung zusammen. Mit dem Projekt trägt DESY etwa 5 Millionen Euro zu dem insgesamt rund 70 Millionen Euro teuren Satelliten bei.

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

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Caltech, JPL.

Das Weltraumteleskop GALEX wurde am 28. April 2003 mit einer Rakete vom Typ Pegasus XL in eine Erdumlaufbahn befördert und anschließend hauptsächlich zur Beobachtung von Galaxien im UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums eingesetzt. Nach dem Ablauf der Primärmission im Herbst 2007 wurde die Mission trotz diverser mittlerweile aufgetreten technischen Problemen zunächst verlängert. Im Jahr 2009 führte ein weiterer Kurzschluss in der Elektronik dazu, dass der für die Beobachtung des fernen UV-Bereiches benötigte Detektor des Teleskops nicht mehr eingesetzt werden konnte.

Am 7. Februar 2012 wurde das Weltraumteleskop schließlich in einen Standby-Modus versetzt (Raumfahrer.net berichtete). Bei diese Maßnahme handelte es sich um einen ersten Schritt für die vorgesehene vollständige Dekommissionierung des Weltraumteleskops, welche laut dem für die Kontrolle von GALEX zuständigen Jet Propulsion Laboratory (JPL) noch im selben Jahr erfolgen sollte. Zeitgleich wurden jedoch auch Verhandlungen zwischen der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA und dem California Institute of Technology (Caltech) geführt, welches die Nutzung des Teleskops gerne fortsetzen wollte. Hieraus resultierte letztendlich ein Vertrag, mit dem die NASA das GALEX ab dem 16. Mai 2012 an das Caltech auslieh, welches die Mission somit weiterbetreiben konnte.

„Die NASA betrachtet dies als eine Möglichkeit dafür, dass die Öffentlichkeit auch weiterhin von den Erkenntnissen dieser mit Bundesmitteln entwickelten Mission profitieren kann“, so Paul Hertz, der leitende Verantwortliche für den Bereich Astrophysik der NASA im Rahmen der entsprechenden Bekanntmachung. „Dies ist ein hervorragendes Beispiel für eine öffentlich-private Partnerschaft, aus der letztendlich die astronomischen Forschungen in den USA profitieren werden.“ Für die dabei anfallenden Betriebskosten von rund 100.000 US-Dollar pro Monat kommt das Caltech auf.

„Diese Mission war voller Überraschungen und wird uns jetzt auch in der Zukunft weitere neue Erkenntnisse vermitteln“, so Chris Martin, der für die GALEX-Mission verantwortliche Wissenschaftler des Caltech, der sich mit dieser Einschätzung offensichtlicht nicht verkalkuliert hat.

Eine erst kürzlich neu gewonnene Erkenntnis bezieht sich auf die im Sternbild Pfau (lat. Pavo) gelegene und etwa 212 Millionen Lichtjahre von unserer Heimatgalaxie entfernt befindliche Balkenspiralgalaxie NGC 6872. Bereits seit Jahrzehnten wird diese Galaxie zu den größten derzeit bekannten Balkenspiralgalaxien gezählt. Im Rahmen einer Auswertung der bisher gesammelten GALEX-Daten stellte ein internationales Team von Astronomen aus den USA, Chile und Brasilien jetzt fest, dass es sich hierbei vielmehr sogar um die größte derzeit bekannte Galaxie dieses Typs handeln könnte. Mit einem Durchmesser von etwa 522.000 Lichtjahren ist NGC 6872 etwa fünf mal größer als unsere Heimatgalaxie.
„Ohne die durch das GALEX ermöglichten Messungen, mit denen sich die jüngsten, heißesten der in dieser Galaxie beheimateten Sternen aufgrund des von ihnen ausgehenden UV-Licht erkennen lassen, hätten wir niemals das volle Ausmaß dieses faszinierenden Systems erkennen können“, so Rafael Eufrasio vom Goddard Space Flight Center (GSFC) der NASA. Die ungewöhnliche Größe und die Form der Galaxie – so die Interpretation der Astronomen – resultieren aus einer Interaktion mit der benachbarten, aber viel kleineren Scheibengalaxie IC 4970, welche lediglich etwa 20 Prozent der Masse von NGC 6872 aufweist.

In den konventionellen Modellen über die Entstehung und Weiterentwicklung von Galaxien gehen die Astronomen davon aus, dass größere und massereichere Galaxien im Laufe der Zeit die ihnen nahe gelegenen kleineren und somit masseärmeren Galaxien absorbieren und die dort enthaltenen Sterne regelrecht „aufsaugen“, was letztendlich zu einem Massezuwachs der größeren Galaxie bei einem zeitgleich erfolgenden „Verschwinden“ der kleineren Galaxien führt. Dies scheint aber zumindestens im Fall von NGC 6872/IC 4970 in dieser Form nicht der Fall zu sein. Trotz der geringeren Masse wirkt IC 4970 mit ihren gravitativen Kräften auf die größere Galaxie NGC 6872 ein.

Durch die Wechselwirkung zwischen den beiden Galaxien werden große Mengen an Gas und Staub aus NGC 6872 herausgerissen, aus denen sich neue, massereiche Sterne bilden. Diese neu entstehenden, sehr heißen Sterne leuchten bevorzugt im energiereichen ultravioletten Licht, welches von GALEX registriert werden kann. Die GALEX-Aufnahmen zeigen, dass sich vom nordöstlichen Spiralarm der größeren Galaxie eine Wolke aus jungen Sternen gelöst hat, welche jetzt eine sich gerade bildende „Mini-Galaxie“ formen. Diese wird von den Astronomen als „Gezeiten-Zwerggalaxie“ bezeichnet. Nähere Analysen zeigen, dass die dort konzentrierten Sterne über ein Alter von etwa 200 Millionen Jahren verfügen. Mit einer zunehmenden Annäherung an das Zentrum von NGC 6872 weisen die in dieser Region befindlichen Sterne dagegen ein immer größeres Alter auf.
Diese Beobachtung deckt sich mit Computersimulationen, welche bereits im Jahr 2007 von einem Team um Cathy Horellou vom Onsala Space Observatory/Schweden veröffentlicht wurden. Aus diesen Berechnungen ergab sich, dass die Galaxie IC 4970 vor rund 130 Millionen Jahren ihre dichteste Annäherung an NGC 6872 durchlief. Dabei folgte die kleinere Galaxie einer Bahn in der Scheibenebene der Hauptgalaxie und umrundete diese dabei in ihrer Rotationsrichtung. Auf diese Weise entstanden auch die beiden prägnanten Gezeitenarme, welche eines der charakteristischen Merkmale von NGC 6872 darstellen.

„Das Verständnis der Struktur und Dynamik von nahe beieinander liegenden, miteinander interagierenden Sternsystemen erlaubt es uns, die dabei ablaufenden Ereignisse in einen kosmologischen Kontext zu versetzen und korrekt einzuordnen. Dadurch ebnen wir auch den Weg, um die Abläufe in anderen Sternsystemen zu entschlüsseln“, so Eli Dwek vom GSFC.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL.

Der von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebene Marsrover Curiosity hat vor wenigen Tagen seinen „Mars Hand Lens Imager“, hierbei handelt es sich um eine am Instrumentenarm des Rovers befestigte Mikroskopkamera, eingesetzt, um einen Teilbereich der unmittelbar vor dem Rover gelegenen Marsoberfläche auch während der Nacht abzubilden.

Als Beobachtungsziel für diese ersten während der Nachtstunden angefertigten Detailaufnahmen der Marsoberfläche wählten die an der Mission beteiligten Wissenschaftler einen mit dem Namen „Sayunei“ belegten kleinen Felsbrocken aus. Zuvor wurde das linke Vorderrad des Rovers dazu genutzt, um die Oberfläche dieses Felsens durch kontrollierte Drehbewegungen provisorisch von einer bedeckenden Staubschicht zu reinigen. So wurde den Wissenschaftlern ein Blick auf einen Bereich der Gesteinsoberfläche ermöglicht, welche nicht durch Tausende von Jahren alte Staubablagerungen verunreinigt ist.

Neben den vier Weißlicht-LEDs, mit denen die MARDI-Kamera ausgestattet ist, wurden für die Abbildung der Gesteinsformation auch zwei UV-LEDs eingesetzt, welche im Wellenlängenbereich von 365 Nanometern arbeiten.

„Das Ziel der Beobachtungen unter UV-Licht bestand in der Suche nach fluoreszierenden Mineralen„, so Dr. Kenneth S. Edgett von der Firma Malin Space Science Systems (MSSS) aus San Diego/Kalifornien – der für dieses Instrument hauptverantwortliche Wissenschaftler. „Die Bilddaten haben uns gerade erst erreicht und das wissenschaftliche Team ist immer noch mit der Erstauswertung der Aufnahmen beschäftigt. Wenn dabei etwas zu erkennen sein sollte, was unter der ultravioletten Beleuchtung irgendwie grün, gelb, orange oder rötlich aussieht, so wäre dies ein ziemlich deutlicher Hinweis auf eine Fluoreszenz.“

Die Aufnahmen der Marsoberfläche und vergleichende Abbildungen einer Kalibrierungsscheibe wurden in der Nacht vom 22. auf den 23. Januar 2013 – dies entsprach in etwa 21.20 Uhr lokaler Zeit während des Missionstages Sol 165 – auf dem Mars angefertigt und wurden im Laufe des 23. Januar an das Roverkontrollzentrum des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena/Kalifornien übermittelt.

Der Gesteinsbrocken „Sayunei“ befindet sich in unmittelbarer Nähe zu der Region „John Klein“, wo in wenigen Tagen auch erstmals der Gesteinsbohrer des Marsrovers Curiosity eingesetzt werden soll (Raumfahrer.net berichtete). Seine bisher letzte Fahrt, welche dabei über eine Distanz von 3,63 Metern erfolgte, führte der Rover am gestrigen 23. Januar durch.

Bis zum heutigen Tag, dem „Sol“ 167 der Mission, hat der Marsrover Curiosity eine Distanz von etwa 746 Metern auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten zurückgelegt. In diesem Zeitraum haben die Kamerasysteme des Rovers mittlerweile fast 40.000 Bilder aufgenommen und an das Roverkontrollzentrum des Jet Propulsion Laboratory (JPL) übermittelt. Diese Aufnahmen sind für die interessierte Öffentlichkeit auf einer speziellen Internetseite des JPL einsehbar.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, Wikipedia.

Am gestrigen 7. Februar 2012 wurde das Weltraumteleskop GALEX wie vorgesehen in einen Standby-Modus versetzt. Diese Maßnahme ist ein erster kontrollierter Schritt für die demnächst anstehende vollständige Dekommissionierung des Weltraumteleskops, welche laut dem für die Kontrolle von GALEX zuständigen Jet Propulsion Laboratory (JPL) noch in diesem Jahr erfolgen wird.

GALEX wurde am 28. April 2003 mit einer Rakete vom Typ Pegasus XL gestartet und anschließend hauptsächlich zur Beobachtung von Galaxien im UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums eingesetzt. Nach dem Ablauf der Primärmission im Herbst 2007 wurde die Mission verlängert.

Mehrere zwischenzeitlich erfolgte Kurzschlüsse in der Elektronik des Weltraumteleskops führten jedoch schließlich zu einem irreparablen Ausfall eines Detektors, welcher für die UV-Beobachtungen benötigt wird. GALEX umkreist die Erde in einem Orbit mit einer Höhe von 695 Kilometern und einer Bahnneigung von 29 Grad.

Im Rahmen der GALEX-Mission wurden weite Teile des Universums mit einer großen Detailgenauigkeit im UV-Bereich abgebildet. Dies ermöglichte den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern eine Katalogisierung von Galaxien, welche sich bis zu 10 Milliarden Lichtjahre von unserer Heimatgalaxie entfernt befinden.
Als bisherige wissenschaftliche Höhepunkte dieser erfolgreichen Mission können zum Beispiel die Entdeckung von relativ jungen Sternen in den Halos verhältnismäßig alter Galaxien verbucht werden. Aber auch die Entdeckung von „Teenager“-Galaxien mit einem anscheinend sehr jungen Alter sorgte innerhalb der Wissenschaftsgemeinde für Aufsehen. Diese Entdeckungen lieferten den Astrophysikern weitere Daten, welche in die aktuellen Modelle bezüglich der Entstehung und Entwicklung unseres Universums einfließen.

Ein spezieller wissenschaftlicher Höhepunkt der GALEX-Mission war die Entdeckung eines „Schweifs“, welcher dem Stern Mira im Sternbild Cetus (zu deutsch „Walfisch) folgt, und der über eine Ausdehnung von etwa 13 Lichtjahren verfügt. Zum Vergleich: Der dem Sonnensystem am nächsten gelegenen Stern ist etwa vier Lichtjahre von der Erde entfernt.

Ungeachtet des jetzt unmittelbar bevorstehenden Endes der Mission hoffen die Wissenschaftler, dass die bisher gesammelten GALEX-Daten auch weiterhin entscheidende Bausteine bei der Entschlüsselung der Rätsel der sogenannten Dunklen Materie oder bei der Charakterisierung von Schwarzen Löchern liefern werden.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: Space.com.

Dazu entwickelten sie eine Mars Environmental Simulation Chamber (MESCH, dt. etwa Simulationskammer für Marsumweltbedingungen) genannte Apparatur. Diese besteht aus einem doppelwandigen Zylinder, der zunächst evakuiert und anschließend mit marsähnlichem Boden sowie einem marsähnlichen Luftgemisch gefüllt wurde. Die Temperaturregulierung geschah über flüssigen Stickstiff, der zwischen den beiden Metallaußenwänden eingefüllt werden kann. Licht mit einem hohen UV-Anteil lieferte eine Xenon-Quecksilberdampflampe. Bakterien, die dem Permafrostboden der Antarktis entnommen und für die Reise gefriergetrocknet waren, können über eine Schleuse in das Innere des Behälters gebracht werden.

Ein 80-tägiger, erster Simulationsvorgang zeigte, dass die oberen 2 Zentimeter des Bodens durch die harte Strahlung und aggressive Chemikalien wie Wasserstoffperoxid sterilisiert wurde. In tieferen Schichten blieben die Bakerien aber „relativ unberührt“, trotz der 35-fachen UV-Strahlungsintensität gegenüber dem Mars. Damit hatte man die Lebensbedingungen zusätzlich verschärft, um ein beschleunigtes Testen zu ermöglichen.

Dies war gleichzeitig einer der größten Kritikpunkte nicht am Projekt beteiligter Wissenschaftler. Die Anlage soll nun weiter verbessert werden. Die Universität Aarhus hat bereits seit 1958 Jahren Erfahrungen mit der Simulation von Umweltbedingungen.

Raumcon:

• Planet Mars ab Simulation

Weblink:

• Simulation shows: Bacteria could live on Mars

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA.

Damit will man die Hinweise auf Perchlorate bestätigen, die man durch Untersuchungen mit dem chemischen Messkomplex MECA (Microscopy, Electrochemistry and Conductivity Analyzer) gefunden hat. Die neue Bodenprobe stammt von einer „Rosy Red“ genannten Stelle des Marsbodens und wurde mit kleineren Problemen in den seit dem 20. Juni nur halb geöffneten Ofen Nummer 5 transportiert. Die Öfen, bei denen der Öffnungsmechanismus möglicherweise komplett funktioniert, möchte man sich für spätere Untersuchungen aufheben. Der Verdacht auf Perchlorate hatte sich mit Proben von „Snow White“ und „Rosy Red“ ergeben. Die tiefste Grabung auf dem Marsboden hat mittlerweile 9 cm erreicht.

Mit dem Thermal and Evolved-Gas Analyzer werden Proben erwärmt und die dabei entstehenden Gase analysiert. Wasser und bestimmte Kohlenstoffverbindungen lassen sich damit nachweisen.

Im zweiten oben genannten Gerät, dem Microscopy, Electrochemistry and Conductivity Analyzer (MECA), werden die Proben ebenfalls erwärmt. Danach werden zwei chemische Substanzen hinzugefügt. Die erste ist eine Säure, die kohlenstoffhaltige Bestandteile der Probe auswäscht. Die zweite Substanz besteht aus Reagenzien, mit denen die Probe auf das Vorhandensein von Sulfaten und Bodenoxidantien untersucht werden kann.

Zusätzlich enthält MECA ein optisches und ein Rasterkraft-Mikroskop. Die Auflösung des optischen Mikroskopes liegt bei 4 Mikrometern (Tausendstel Millimetern) pro Pixel, die des Rasterkraftmikroskops bei 10 Nanometern (Millionstel Millimetern). Für die optische Mikroskopie wird die Probe mit roten, grünen und blauen LED beleuchtet, wodurch Farbbilder möglich werden. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung ultravioletten Lichtes auch das Feststellen von Luminiszenzeffekten. Das Rasterkraftmikroskop tastet besonders interessante Teile der Probe mit einer sehr feinen Nadel ab. Damit kann eine überaus genaue Karte der Oberflächenbeschaffenheit erstellt werden.

Vor dieser genauesten Untersuchung, die je auf einem anderen Himmelskörper durchgeführt wurde, passiert die Probe ein Buquet von 69 verschiedenen Substraten. Damit untersucht man die Wirkung unterschiedlicher Adhäsionsmechanismen und gewinnt dabei Informationen über Korngröße, magnetische Eigenschaften sowie Haftkräfte.

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Ein Beitrag von 25.09.2005 / Autor:. Quelle: Druckansicht.

Pamela Conrad reiste zu den Enden unserer Erde um das Leben zu studieren. Conrad erschien kürzlich in James Camerons 3-D Dokumentation „Aliens of the Deep“, wo sie und verschiedene andere Wissenschaftler seltsame Kreaturen, die den Boden des Ozeans bewohnen, untersuchten. Im zweiten Teil des Artikels erklärt Conrad wie ihre Arbeit in den Eiswüsten die Suche nach Außerirdischen unterstützen könnte. „Wenn wir Leben auf dem Mars finden, und dieses Leben lebt in den Steinen, wie würden wir es erforschen? Die Antwort kann nicht beantwortet werden, bevor nicht zuerst einige Experimente auf der Erde gemacht werden. Und das ist was wir in der Arktis und der Antarktis machen.“

In der Arktis wird ein etwa 150 bis 200 Tausend Jahre alter Vulkan, bestehend aus ausgetrocknetem Basalt, untersucht. Besonders der getrocknete Basalt ist sehr interessant. Es enthält Mineralien, welche einigen unerwarteten Mineralien im umstrittenen Martian Meteroid, von welchem gesagt wird, dass er fossiles Leben enthält, sehr ähnlich sehen. In der Arktis, genauer gesagt Svalbard in Norwegen, gibt es Eisbären, weswegen der Reise in die Arktis mit einem halbtägigen Schusstraining begonnen wurde – natürlich nur zur Verteidigung. In der Antarktis gibt es keine Eisbären, jedoch ist das reichliche Meeresleben vielseitig. Bei McMurdo Base gibt es Pinguine, da sind Vögel bekannt als Skua und da sind Paare von verschiedenen Arten von Robben. Sie entschieden sich für einen Platz in den Ebenen von McMurdo, als Battleship Promontory bezeichnet. Die Felsen dort sind Sandgestein und befanden sich ursprünglich unter Wasser. In den Felsen gedeihen Schichten von Gemeinschaften von Mikroben. Sie gefrieren währen des Winters und werden von den Sonnenstrahlen des Sommers wieder aufgetaut und kommen zurück ins Leben. Der Sommer schafft als größte Hitze nur bis zu 10 Grad Celsius.

NASAs Strategie um nach Leben zu suchen sieht vor einen schnellen Blick in die Runde zu werfen und eine große Menge an Informationen zu verarbeiten. Wenn etwas Interessantes entdeckt wird, wird vielleicht etwas mehr Zeit investiert und vorsichtiger und mit größerer Auflösung untersucht. Sie wollen nichts wirklich Zerstörendes zuerst machen, um auf keinen Fall das Objekt der Untersuchung zu zerstören. Man will so minimal-invasiv wie möglich sein. Gegenteiliges würde man beispielsweise erreichen, wenn man einen Hammer nimmt und den Stein in Stücke schlägt um sich das Innere anzusehen. Man könnte die Gesamtstruktur, die Geomorphologie, des Steines nicht mehr verstehen. Also wenn man nach Leben in einem Stein forscht und nicht destruktiv sein will, darf man den Stein nicht aufknacken und hineinschauen. Deswegen müssen Hinweise auf Leben an der Oberfläche des Steines zu finden sein.
Porphyrine sind eine allgegenwärtige Klasse von natürlich vorkommenden Komponenten mit vielen wichtigen biologischen Repräsentanten, beispielsweise Chlorophyll (das Blattgrün). Jedes Leben hat eine Art von elektronischen Fluss oder Energieverkabelungssystem. Die gewöhnliche Art auf der Erde basieren auf Porphyrinen, welche eine sehr spezielle Gestallt haben. Conrads Team hätte gerne Proben vom Mars auf Erde, jedoch wissen sie derzeit nicht wie sie das machen können. Das ganze wird in der Zukunft ein großes Projekt werden, von der Entwicklung der Technologie für die Arbeit, über der sicheren Landung und Sammlung der Proben bis zum Rücktransport derselbigen. Auch wenn spekuliert wird, Menschen zu dieser Mission zu schicken, ist sich Conrad sicher, dass sie nicht auf den Mars gehen wird. Sie forscht weiter an allen kalten Plätzen, die sie erreichen kann. „Zurzeit konzentriere ich mich auf Dinge die uns vielleicht auf die Arten von Sonnensystemforschung, welche wir gerade machen, vorbereiten: Ausschicken eines Raumschiffes, es landen und ein Experiment machen“, erklärte sie.

Sie und ihr Team entwickelt Strategien zur Entdeckung von Leben, die einerseits nicht destruktiv sind und andererseits schnell. Sie untersuchen die Landschaft mit Gerätschaften, welche so wenig wie möglich eingreifen, suchen nach Kontrasten in der Chemie des Steines und der Chemie von Organismen, welche vielleicht auf dem Stein vorkommen. Die Eiswüsten bieten dabei eine vergleichbarste Umgebung zum Mars, der Mars ist noch viel trockener und kälter, und sind somit die beste Arbeitsumgebung auf der Erde. Sie arbeiten dabei mit einer optischer Technik, der „laser-induced native fluorescence“

. Dabei werden sehr kurze Wellenlängen des Lichtes genommen, im ultravioletten Bereich, und ein einziger Punkt wird beleuchtet. Wenn dieser Punkt organische Molekühle aufweist, leuchtet der Punkt auf. Die Farbe in der der Punkt leuchtet, gibt an welche um Art von Molekühl es sich handelt, wie groß es ist und seine Komplexität. Besonders beeindruckend ist die Untersuchungsgeschwindigkeit, in 50 Mikrosekunden hat man ein Ergebnis. Auch wenn das ultraviolette Licht zerstörend wirken kann, erzeugt die Technik nur eine kurze Druckwelle, ist also eine sehr minimale Zerstörungskraft und betrifft lebende Objekte nicht. „Die Mikroben, die wir durch diese Methode entdeckt haben, sterben nicht“, bestätigte Conrad. Die Maschine ist von der Größe einer Schuhschachtel und kann damit überall hin mitgenommen werden, wo nach Leben geforscht werden soll.

Das Gerät wurde in der Arktis wurde bei der Untersuchung von Spalten angewendet, um nach Proben zu suchen, für die es sich lohnte diese ins Labor mitzunehmen. Weiters verwendete Conrad und ihr Team die Technik für Forschung unter Wasser. In der Antarktis leben die Organismen in speziellen Arten von Steinen, welche in Zwischenräumen Wasser festhalten um nicht auszutrocknen. Der Stein absorbiert auch die Hitze und bietet so einen Ausgleich der Hitzeschwankungen von außerhalb. Das Material des Steines wird ebenso transparent im ultravioletten Licht. Es gibt verschiedene Arten von Organismen, die in dem Stein leben. Nur etwa einen Zentimeter unterhalb der Oberfläche, leben Organismen in den feinen Spalten des Steines, es lassen sich jedoch auch chemische Hinweise einige Zentimeter tiefer in den Stein verfolgen. Einige Arten von Organismen leben nicht in den Spalten, sie siedeln in Einrissen am Stein. Sie arbeiten ähnlich wie Pflanzen und verarbeiten Arten von Ionen, jedoch ohne Photosynthese, womit sie kein Licht benötigen und tiefer im Stein leben können. Die Chemie des Steines bestimmt die tatsächliche Tiefe genauso wie die Größe der Organismen.
„Man kann die Unterschiede zwischen einer Bakterie und einer anderen mit unserem Instrument sagen, weil unterschiedliche Chemikalien auf der Oberfläche der Organismen sind. Schon die Verwendung von Fluoreszenz kann einem den Unterschied zwischen den Grundtypen von Bakterien sagen.“, erzählte Conrad. „Eines der coolen Dinge bei der Suche nach mikrobischen Leben auf der Erde ist, dass Mikroben überall vorkommen. Die meiste Artenvielfalt auf der Erde ist mikrobisch. … Wenn wir daran denken nach Fossilien von vergangenem Leben zu suchen, tendieren wir dazu an Dinge wie Dinosaurierknochen zu denken. Astrobiologen glauben nicht wirklich daran Dinosaurier auf dem Mars zu finden. … Es lässt sich jedoch fossile Strukturen in Steinen finden, erzeugt von Organismen, welche sich in der Ablagerung befanden, als es versteinert wurde. Man kann ebenso versuchen chemische Fossilien zu finden, welche anzeigen, dass es an diesem Ort Leben gegeben hat. Da sind einige Chemikalien, welche aus sehr großen Molekühlen bestehen, welche sehr hart und widerstandsfähig sind. Wir müssen nur klug genug sein um die Chemikalien, die zum Stein gehören von den Chemikalien, welche zu lebenden Dingen gehören, zu unterscheiden.“

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Ein Beitrag von Andreas Tramposch. Quelle: University of California, San Diego (UCSD).

Aufgrund von chemischen Fingerabdrücken die in frühzeitigen Meteoriten sichergestellt werden konnte, haben Wissenschaftler von der University of California, San Diego (UCSD) die These aufgestellt, dass die kollabierende Gaswolke aus der einst unsere Sonne entstand bereits bei der Formation der ersten Materie in unserem Sonnensystem vor 4.5 Milliarden Jahre sehr heiß und glühend war. Die Forscher haben lange darüber diskutiert ob die in der Entstehungsphase unseres Sonnensystems erzeugten chemischen Verbindungen mit Hilfe der Energie von der frühzeitigen Sonne oder aufgrund anderer Einflüsse entstanden sind. „Die Grundfrage war: War die Sonne an oder aus?“ sagte Mark H. Thiemens, Forscher der UCSD. Vinai Rai, ebenfalls Forscher der UCSD kam mit einer Lösung, die diese Frage beantworten könnte. Er entwickelte eine extrem empfindliche Messmethode mit der er Meteoriten aus der Zeit der Sonnenentstehung nach chemischen Fingerabdrücken untersucht. Dabei kam Vinai Rai zu dem Ergebnis, dass die ultraviolette Strahlung, die von dieser Gaswolke ausging bei der Formung des frühen Sonnensystems inklusive der Entstehung von organischen Komponenten, die das Leben auf der Erde ermöglichten eine große Rolle spielte. „Diese Messmethode sagt uns zum ersten Mal, dass die Sonne definitiv an war, dass es genügend ultraviolettes Licht gab und die Gaswolke hell leuchtete,“ sagte Thiemens. „Zu wissen, dass das der Fall war ist eine große Hilfe für uns Forscher den Prozess wie unser Sonnensystem geformt wurde besser zu verstehen.“

Astronomen glauben, dass sich der Sonnennebel vor rund 5 Milliarden Jahre zu formen begann. Grund dafür könnte eine Schockwelle eines explodieren Sternes sein, der unter seiner eigenen Gravitation kollabierte und eine große Wolke aus interstellarem Gas in Rotation versetzte. Als die drehende Scheibe aus dem Sonnenebel immer dünner und dünner wurde, entstanden immer größere Klumpen aus Materie, aus denen sich später die Planeten, deren Monde oder Asteroiden bildeten. In der Zwischenzeit zog sich das Zentrum der rotierenden Nebelscheibe aufgrund der eigenen Gravitation immer weiter zusammen und wurde zudem immer heißer. Schließlich entwickelte sich aus diesem Zentrum ein junger Stern, unsere Sonne, welcher heiße Winde von elektrisch geladenen Atomen ausstieß und den übrig gebliebenen Nebel aus unserem Sonnensystem ausspuckte. Planeten, Monde und Meteoriten wurden stark aufgeheizt und deren ursprüngliche Materialaufbau wurde verändert. Forscher konnten daher bei der Untersuchung der Planeten nicht auf die Entwicklung des Sonnenebels zu unserem Sonnensystem rückschließen. Zu deren Glück gibt es aber noch frühzeitige Meteoriten, deren Materialaufbau seit der Sonnenentstehung vor 4.5 Milliarden Jahre unverändert blieb.

Mit dieser neuartigen Messmethode erhoffen sich die Forscher nun auch weitere Frage bezüglich der Planetenentstehung beantworten zu können.

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Autor: Michael Stein.

Einleitung
Am 28. April wird der Galaxy Evolution Explorer (GALEX) mit Hilfe einer dreistufigen Pegasus XL-Rakete in eine 690 Kilometer hohe Erdumlaufbahn transportiert, von wo aus das Weltraumteleskop rund zweieinhalb Jahre lang das Weltall im ultravioletten Spektralbereich durchmustern wird. Da die Erdatmosphäre den Großteil der auf unseren Planeten niedergehenden ultravioletten Strahlung (UV-Strahlung) absorbiert müssen Astronomen, die kosmische Objekte in diesem Spektralbereich beobachten wollen, Beobachtungspositionen jenseits unserer irdischen Atmosphäre beziehen. GALEX ist mit einem 50 cm durchmessenden Teleskopspiegel ausgestattet, der die UV-Strahlung zu zwei Detektoren an Bord des Satelliten weiterleitet.
 
Der Satellit
GALEX ist ein vergleichsweise kleiner und leichter Forschungssatellit. Der nur 280 Kilogramm schwere zylinderförmige Flugkörper verfügt über kein eigenes Antriebssystem, statt dessen reguliert er seine Lage über ein System von Reaktionsrädern, die je nach Bedarf rotieren und dadurch entgegengesetzt wirkende Kräfte erzeugen, durch die der Satellit in die gewünschte Richtung gedreht werden kann. Sämtliche Systeme an Bord werden von zwei Solarpaneelen mit einer Fläche von rund drei Quadratmetern mit Energie versorgt.
 
Der wichtigste Bestandteil von GALEX ist natürlich das eigentliche UV-Teleskop. Der Hauptspiegel des Teleskops mit einem Durchmesser von 50 cm reflektiert die einfallende UV-Strahlung auf einen 70 cm entfernt angebrachten und 22 cm durchmessenden Sekundärspiegel, von dem aus die Strahlung durch ein Loch in der Mitte des Hauptspiegels zu den beiden UV-Detektoren geleitet wird.

Die beiden Detektoren sind die empfindlichsten UV-Empfänger, die bisher eingesetzt worden sind. Ein Detektor ist für die Registrierung der so genannten „Nahen UV-Strahlung“ verantwortlich, während der andere Detektor auf die „Ferne UV-Strahlung“ anspricht. Die Bezeichnungen „Nah“ und „Fern“ beziehen sich übrigens auf die Nähe zum Spektralbereich des sichtbaren Lichts, d.h. die „Nahe UV-Strahlung“ schließt sich im elektromagnetischen Spektrum unmittelbar an das durch die Farbe Violett markierte Ende des sichtbaren Lichts an, gefolgt von der „Fernen UV-Strahlung“, die energiereicher ist und sich durch eine höhere Frequenz und niedrigere Wellenlänge auszeichnet. Die beiden Detektoren sind extrem empfindlich, weshalb die Beobachtungen nur dann durchgeführt werden, wenn sich GALEX auf seiner Umlaufbahn im Erdschatten befindet. Aus dem gleichen Grund werden die Detektoren abgeschaltet, sobald sich ein Planet in das Sichtfeld des Teleskops schiebt.
 
Wissenschaftliche Ziele der Mission
Durch die Beobachtung der UV-Emissionen anderer Galaxien sollen diejenigen herausgefiltert werden, die vorwiegend junge, heiße und vergleichsweise kurzlebige Sterne enthalten. Solche Sterne strahlen anders als unsere Sonne einen großen Anteil ihrer Energie in Form von UV-Strahlung ab. In den durch dieses Merkmal gekennzeichneten Galaxien werden aktiv neue Sterne „geboren“, so dass sie einen Blick in die Geschichte und auf die Ursachen galaktischer Sternenentstehungen geben.
 

GALEX wird durch seine Beobachtungen die Ergebnisse anderer Teleskope ergänzen, die das Weltall in anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums (wie z.B. im sichtbaren Licht oder im Bereich der Gammastrahlung) observiert haben. Unter anderem soll durch diese Mission herausgefunden werden, ob die Sternenentstehung in unserem Universum tatsächlich vor acht bis zehn Milliarden Jahren einen Höhepunkt erreichte, und was die Ursachen dafür waren. Die Auswertung der UV-Strahlung wird den Astronomen erlauben, die Sternenentstehungsrate in den untersuchten Galaxien zu bestimmen. So hoffen die Astronomen durch den Vergleich einer Vielzahl von Galaxien Merkmale herauszufinden, durch die sich Galaxien mit einer hohen „Geburtenrate“ neuer Sterne auszeichnen. Aus den Daten, die durch GALEX gewonnen werden, können darüber hinaus auch Rückschlüsse auf den Entstehungszeitraum so genannter „schwerer Elemente“ (also aller Elemente, die im Periodensystem auf Helium folgen) gezogen werden.
 
Indem uns nahe gelegene Galaxien mit ungefähr dem gleichen Alter wie unsere Milchstraße wie auch bis zu acht Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxien beobachtet werden können verschiedene Stadien der Galaxien- und Sternenentstehung miteinander verglichen werden, so dass sich letztendlich auch typische Entwicklungspfade herauskristallisieren lassen.
 
Eine andere wichtige Aufgabe dieser Mission ist die Kartierung kosmischer Himmelskörper, die UV-Strahlung aussenden. GALEX soll mehrer als 100.000 Galaxien kartieren, was durch ein vergleichsweise großes Sichtfeld erreicht wird. Das Sichtfeld dieses Teleskops ist im Vergleich zum Hubble Space Telescope 500-mal größer, so dass mit jeder Aufnahme ein vergleichsweise großer Himmelsausschnitt erfasst wird. Der dadurch entstehende Katalog von UV-Strahlungsquellen wird eine wichtige Basis für zukünftige wissenschaftliche Auswertungen und Arbeiten bilden.
 
Wenn diese Mission erfolgreich verlaufen sollte, dann werden wir sicher noch weit nach dem Ende der eigentlichen Forschungsmission von wissenschaftlichen Resultaten lesen können, die sich auf die durch GALEX gewonnenen Daten beziehen.

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