Quelle: NASA, 6. Dezember 2024.

6. Dezember 2024 – Das stellare Schwarze Loch, Teil des Doppelsternsystems Swift J1727.8-1613, wurde im Sommer 2023 während eines ungewöhnlichen Aufhellungsereignisses entdeckt, bei dem es kurzzeitig fast alle anderen Röntgenquellen überstrahlte. Es ist das erste seiner Art, das von IXPE während des Beginns, des Höhepunkts und des Endes eines derartigen Röntgenausbruchs beobachtet wurde.

Swift J1727 ist Gegenstand einer Reihe neuer Studien, die in den Zeitschriften The Astrophysical Journal und Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurden. Die Wissenschaftler sagen, dass die Ergebnisse neue Einblicke in das Verhalten und die Entwicklung von binären Röntgensystemen mit schwarzen Löchern liefern.

„Dieser Ausbruch hat sich unglaublich schnell entwickelt“, sagt die Astrophysikerin Alexandra Veledina, die an der Universität Turku in Finnland forscht. „Von unserer ersten Entdeckung des Ausbruchs an dauerte es nur wenige Tage, bis Swift J1727 seinen Höhepunkt erreichte. Zu diesem Zeitpunkt hatten IXPE und zahlreiche andere Teleskope und Instrumente bereits Daten gesammelt. Es war sehr aufregend, den Ausbruch bis zu seiner Rückkehr in die Inaktivität zu beobachten.“

Bis Ende 2023 blieb Swift J1727 kurzzeitig heller als der Krebsnebel, die Standard-Röntgenkerze“, die als Basis für Einheiten der Röntgenhelligkeit verwendet wird. Solche Ausbrüche sind bei Doppelsternsystemen nicht ungewöhnlich, aber selten treten sie so hell und so nah an der Erde auf – nur 8.800 Lichtjahre von der Erde entfernt. Das Doppelsternsystem wurde zu Ehren der Swift Gamma-ray Burst Mission benannt, die den Ausbruch mit ihrem Burst Alert Telescope am 24. August 2023 entdeckte, was zur Entdeckung des Schwarzen Lochs führte.

Röntgendoppelsterne bestehen in der Regel aus zwei nahe beieinander liegenden Sternen, die sich in unterschiedlichen Stadien ihres Lebenszyklus befinden. Wenn dem älteren Stern der Brennstoff ausgeht, explodiert er in einer Supernova und hinterlässt einen Neutronenstern, einen Weißen Zwerg oder ein Schwarzes Loch. Im Fall von Swift J1727 riss die starke Schwerkraft des entstehenden Schwarzen Lochs Material von seinem Begleitstern ab, das auf über 1,8 Millionen Grad Celsius erhitzt wurde und einen gewaltigen Ausstoß von Röntgenstrahlung erzeugte. Diese Materie bildete eine Akkretionsscheibe und kann eine überhitzte Korona enthalten. An den Polen des Schwarzen Lochs kann die Materie auch in Form von relativistischen Strahlen aus dem Doppelsternsystem entweichen.

Das IXPE, das der NASA und anderen Forschern bei der Untersuchung all dieser Phänomene geholfen hat, ist auf die polarisierte Röntgenstrahlung spezialisiert, eine Eigenschaft des Lichts, die dazu beiträgt, die Form und Struktur solcher ultrastarken Energiequellen zu kartografieren und ihr Innenleben zu beleuchten, selbst wenn sie für uns zu weit entfernt sind, um sie direkt zu sehen.

„Da das Licht selbst ihrer Schwerkraft nicht entkommen kann, können wir Schwarze Löcher nicht sehen“, sagte Alexandra Veledina, Astrophysikerin bei der NASA. „Wir können nur beobachten, was um sie herum geschieht, und Rückschlüsse auf die Mechanismen und Prozesse ziehen, die dort ablaufen. IXPE ist entscheidend für diese Arbeit.“

Zwei der IXPE-basierten Untersuchungen von Swift J1727, die von Veledina und Adam Ingram, einem Forscher an der Newcastle University in Newcastle-upon-Tyne, England, geleitet wurden, konzentrierten sich auf die ersten Phasen des Ausbruchs. Während der kurzen Zeitspanne von einigen Monaten, in der die Quelle außergewöhnlich hell wurde, war die Korona die Hauptquelle der beobachteten Röntgenstrahlung.

„IXPE dokumentierte eine Polarisation der Röntgenstrahlung, die sich entlang der geschätzten Richtung des Jets des Schwarzen Lochs ausbreitet, so dass sich das heiße Plasma in der Ebene der Akkretionsscheibe ausbreitet“, sagte Veledina. „Ähnliche Befunde wurden bei dem persistenten Schwarzen Loch Cygnus X-1 gemeldet, so dass dieser Befund dazu beiträgt, zu bestätigen, dass die Geometrie bei kurzlebigen eruptiven Systemen die gleiche ist.“

Das Team beobachtete außerdem, wie sich die Polarisationswerte während des Spitzenausbruchs von Swift J1727 veränderten. Diese Schlussfolgerungen stimmten mit den Ergebnissen überein, die gleichzeitig bei Untersuchungen anderer Energiebänder elektromagnetischer Strahlung gewonnen wurden.

Eine dritte und eine vierte Studie unter der Leitung der Forscher Jiří Svoboda und Jakub Podgorný, beide von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag, konzentrierten sich auf die Röntgenpolarisation während des zweiten Teils des Ausbruchs von Swift J1727 und seiner Rückkehr zu einem hochenergetischen Zustand mehrere Monate später. Für seine früheren Arbeiten mit IXPE-Daten und Simulationen von Schwarzen Löchern wurde Podgorný kürzlich mit dem höchsten nationalen Preis der Tschechischen Republik für eine Doktorarbeit in den Naturwissenschaften ausgezeichnet.

Die Polarisationsdaten zeigten, dass sich die Geometrie der Korona zwischen dem Beginn und dem Ende des Ausbruchs nicht wesentlich verändert hat, obwohl sich das System in der Zwischenzeit weiterentwickelt hat und die Röntgenhelligkeit im späteren energetischen Zustand dramatisch abnahm.

Die Ergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis der sich verändernden Formen und Strukturen von Akkretionsscheiben, Korona und verwandten Strukturen bei Schwarzen Löchern im Allgemeinen dar. Die Studie zeigt auch den Wert von IXPE als Instrument, um zu bestimmen, wie all diese Elemente des Systems miteinander verbunden sind, sowie sein Potenzial, mit anderen Observatorien zusammenzuarbeiten, um plötzliche, dramatische Veränderungen im Kosmos zu beobachten.

„Weitere Beobachtungen von Materie in der Nähe von Schwarzen Löchern in Doppelsternsystemen sind notwendig, aber die erfolgreiche erste Beobachtungskampagne von Swift J1727.8-1613 in verschiedenen Zuständen ist der beste Anfang eines neuen Kapitels, das wir uns vorstellen können“, sagte Michal Dovčiak, Mitautor der Reihe von Veröffentlichungen und Leiter der IXPE-Arbeitsgruppe über Schwarze Löcher mit stellarer Masse, der auch an der Tschechischen Akademie der Wissenschaften forscht.

Mehr über IXPE

IXPE ist eine gemeinsame Mission der NASA und der italienischen Weltraumbehörde, die mit Partnern und wissenschaftlichen Mitarbeitern aus 12 Ländern bahnbrechende Entdeckungen über Himmelsobjekte im gesamten Universum ermöglicht. IXPE wird vom Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, geleitet. Ball Aerospace mit Hauptsitz in Broomfield, Colorado, leitet den Betrieb der Raumsonde zusammen mit dem Laboratory for Atmospheric and Space Physics der Universität Colorado in Boulder.

Weitere Informationen über die laufende Mission von IXPE finden Sie hier: https://www.nasa.gov/mission/imaging-x-ray-polarimetry-explorer-ixpe/

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

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• IXPE auf Falcon 9 (B1061.5)

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Quelle: NASA, 5. Dezember 2024.

5. Dezember 2024 – Die neuen Hubble-Aufnahmen der Umgebung des Quasars zeigen laut Bin Ren vom Côte d’Azur Observatorium und der Université Côte d’Azur in Nizza, Frankreich, eine Menge „seltsamer Dinge“. „Wir haben ein paar Kleckse unterschiedlicher Größe und eine mysteriöse L-förmige fadenförmige Struktur. Das alles befindet sich im Umkreis von 16.000 Lichtjahren um das Schwarze Loch.“

Bei einigen der Objekte könnte es sich um kleine Satellitengalaxien handeln, die in das Schwarze Loch stürzen und so das Material liefern, das sich am zentralen supermassiven Schwarzen Loch anlagert und den hellen Leuchtturm antreibt. „Dank der Beobachtungsleistung von Hubble öffnen wir ein neues Tor zum Verständnis von Quasaren“, so Ren. „Meine Kollegen sind begeistert, weil sie noch nie so viele Details gesehen haben.“

Quasare sehen als punktförmige Lichtquellen am Himmel sternähnlich aus (daher der Name quasi-stellares Objekt). Der Quasar in der neuen Studie, 3C 273, wurde 1963 von dem Astronomen Maarten Schmidt als der erste Quasar identifiziert. Mit einer Entfernung von 2,5 Milliarden Lichtjahren war er zu weit entfernt für einen Stern. Mit einer Leuchtkraft, die mehr als zehnmal so stark war wie die der hellsten elliptischen Riesengalaxien, muss er viel energiereicher gewesen sein, als man es sich je vorstellen konnte. Dies öffnete die Tür zu einem unerwarteten neuen Rätsel der Kosmologie: Was treibt diese massive Energieproduktion an? Der wahrscheinliche Schuldige war Material, das an einem Schwarzen Loch akkretiert.

Im Jahr 1994 zeigte Hubbles neue scharfe Optik, dass die Umgebung von Quasaren viel komplexer ist als zunächst vermutet. Die Bilder deuteten auf galaktische Kollisionen und Verschmelzungen zwischen Quasaren und Begleitgalaxien hin, bei denen Bruchstücke auf supermassive schwarze Löcher herabstürzen. Dadurch werden die riesigen schwarzen Löcher, die die Quasare antreiben, erneut entzündet.

Für Hubble ist der Blick in den Quasar 3C 273 so, als würde man direkt in einen blendenden Autoscheinwerfer blicken und versuchen, eine Ameise zu sehen, die am Rand herumkrabbelt. Der Quasar strahlt das Tausendfache der gesamten Energie der Sterne in einer Galaxie aus. Einer der Quasare, die der Erde am nächsten sind, 3C 273, ist 2,5 Milliarden Lichtjahre entfernt. (Wäre er ganz in der Nähe, nur einige zehn Lichtjahre von der Erde entfernt, würde er so hell wie die Sonne am Himmel erscheinen). Der STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) von Hubble kann als Koronagraph dienen, um das Licht von zentralen Quellen abzublocken, ähnlich wie der Mond die Blendung der Sonne während einer totalen Sonnenfinsternis abblockt. Astronomen haben STIS eingesetzt, um staubige Scheiben um Sterne herum zu enthüllen, um die Entstehung von Planetensystemen zu verstehen, und jetzt können sie STIS nutzen, um die Wirtsgalaxien von Quasaren besser zu verstehen. Mit dem Hubble-Coronographen konnten die Astronomen achtmal näher an das Schwarze Loch herankommen als je zuvor.

Die Wissenschaftler erhielten einen seltenen Einblick in den 300.000 Lichtjahre langen extragalaktischen Materialstrahl des Quasars, der mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum rast. Durch den Vergleich der STIS-Koronagraphen-Daten mit archivierten STIS-Bildern mit einem Abstand von 22 Jahren kam das Team um Ren zu dem Schluss, dass sich der Jet schneller bewegt, wenn er weiter von dem Schwarzen Loch entfernt ist.

„Mit den feinen räumlichen Strukturen und der Bewegung des Jets hat Hubble eine Lücke zwischen der kleinräumigen Radiointerferometrie und den großräumigen optischen Bildbeobachtungen geschlossen. Unsere bisherige Sichtweise war sehr begrenzt, aber Hubble ermöglicht es uns, die komplizierte Morphologie der Quasare und die galaktischen Wechselwirkungen im Detail zu verstehen. Wenn wir in Zukunft 3C 273 mit dem James-Webb-Weltraumteleskop im infraroten Licht näher untersuchen, könnte uns das weitere Aufschlüsse geben“, so Ren.

Mindestens 1 Million Quasare sind über den Himmel verstreut. Sie sind nützliche Hintergrundstrahler“ für eine Vielzahl von astronomischen Beobachtungen. Quasare traten am häufigsten etwa 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall auf, als Galaxienkollisionen noch häufiger waren.

Das Hubble-Weltraumteleskop ist seit über drei Jahrzehnten in Betrieb und macht weiterhin bahnbrechende Entdeckungen, die unser grundlegendes Verständnis des Universums prägen. Hubble ist ein Projekt der internationalen Zusammenarbeit zwischen der NASA und der ESA (Europäische Weltraumorganisation). Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, leitet das Teleskop und den Betrieb der Mission. Lockheed Martin Space mit Sitz in Denver unterstützt ebenfalls den Missionsbetrieb in Goddard. Das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, das von der Association of Universities for Research in Astronomy betrieben wird, führt den wissenschaftlichen Betrieb von Hubble für die NASA durch.

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

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• Hubble

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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: OHB SE 13. März 2024.

Oberpfaffenhofen, 13. März 2024. Am bayerischen Standort des industriellen Hauptauftragnehmers OHB System AG wird derzeit die Integration des ersten Satzes von Kameras in die sogenannte optische Bank vorbereitet. Am Ende wird der Satellit über 26 Kameras verfügen, die nach erdähnlichen Planeten in der Umlaufbahn um Sterne außerhalb unseres Sonnensystems suchen werden. Um die Beobachtungen ungestört durchführen zu können, wird PLATO von der Sonne aus gesehen hinter der Erde am Lagrange-Punkt L2*) positioniert. Vertreter der Projektpartner, die das wissenschaftliche Instrument konzipiert und entwickelt haben, nahmen gestern an einer Konferenz in Oberpfaffenhofen teil, um den Beginn der Integrationsaktivitäten im neuesten ISO 5-Reinraum der OHB zu feiern.

Thomas Walloschek, PLATO-Projektleiter bei der ESA: „Es ist wirklich großartig zu sehen, wie die Dinge zusammenkommen, wenn das Industrieteam unter der Leitung von OHB als Hauptauftragnehmer, das internationale PLATO-Konsortium, das für die Entwicklung der Nutzlast verantwortlich ist, und das ESA-Team, das die Gesamtmission verantwortet, ihre Kräfte bündeln. Dies kann nur gelingen, wenn alle kooperativ und konstruktiv zusammenarbeiten und das gleiche Ziel verfolgen: den Erfolg der wissenschaftlichen Mission. Der nächste große Schritt für das Nutzlastmodul beginnt jetzt mit der Fertigstellung des neuen Reinraums und dem Beginn der Integration der Kameras und der Datenverarbeitungssysteme der Nutzlast.“

Prof. Dr. Heike Rauer, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Koordinatorin des internationalen PLATO-Missionskonsortiums, das Mitglieder aus 15 Ländern umfasst: „Es ist großartig zu sehen, wie unser Traum von einem Teleskop, das erdähnliche Planeten um Sterne wie unsere Sonne aufspüren und charakterisieren kann, Schritt für Schritt Wirklichkeit wird. Mit der Fertigstellung des ersten Satzes von Flugkameras bewegt sich das Projekt auf den Start der Mission in nicht allzu ferner Zukunft zu. Ich arbeite sehr gerne in diesem Team, das Wissenschaftler und Ingenieure aus der Industrie unter der Leitung von OHB, der ESA und wissenschaftlichen Einrichtungen aus ganz Europa zusammenbringt, die alle auf ein gemeinsames Ziel hinarbeiten.“

Chiara Pedersoli, Vorstandsvorsitzende der OHB System AG: „Ich habe den Austausch mit den am PLATO-Projekt beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern sehr genossen, er war wirklich inspirierend. Unser neuer Reinraum ist optimal für die Anforderungen des Instruments und die anschließende Satellitenintegration ausgestattet. Er verfügt über einen ISO 8- und einen ISO 5-Bereich, die je nach den spezifischen Projektanforderungen flexibel konfiguriert werden können. Mit einer nach unseren Anforderungen konzipierten Thermalvakuumkammer haben wir hier im OHB-Raumfahrtzentrum Optik und Wissenschaft nun auch die Möglichkeit, einige Umwelttests selbst durchzuführen. Unsere neuen Einrichtungen sind ein Bekenntnis zu wissenschaftlichen Missionen mit ihrem hohen Bedarf an Flexibilität und zum Raumfahrtstandort Bayern.“

Neben den Vertretern der ESA und des DLR sind auch Repräsentanten des Italienischen Nationalen Institust für Astrophysik (INAF – Istituto Nazionale di AstroFisica), das die Entwicklung und Produktion der PLATO-Kameras koordiniert, sowie Wissenschaftler und Ingenieure verschiedener anderer europäischer Forschungseinrichtungen nach Oberpfaffenhofen gekommen, um den Reinraum zu besichtigen und einen Blick auf die Integration der Flughardware zu werfen.

Die Mission: Exoplaneten und ihre Sterne
In einer Entfernung von 1,5 Millionen Kilometern von der Erde wird PLATO nach „neuen Welten“ Ausschau halten. Dazu beobachtet das Observatorium helle Sterne über längere Zeiträume ununterbrochen photometrisch, um regelmäßige Lichtverluste zu erkennen, die auftreten, wenn Planeten ihre Sterne passieren und dabei einen Teil des Sternenlichts vorübergehend ausblenden. Um diese Aufgabe erfüllen zu können, muss die optische Nutzlast perfekt ausgerichtet und stabilisiert sein.

PLATO wird den Wissenschaftlern neue Erkenntnisse sowohl über Exoplaneten**) als auch über ihre Sterne liefern. Zum einen geht es darum, die Entstehung und Entwicklung von Planeten zu verstehen. Zudem erwarten die Wissenschaftler Antworten auf die Fragen, ob unser Sonnensystem einzigartig ist und welche Eigenschaften erdähnliche Planeten in der bewohnbaren Zone anderer Sterne haben. Zum anderen ist die Messung der seismischen Aktivitäten von Sternen ein Ziel der Forschungsarbeiten. Die Beobachtungen ermöglichen eine genauere Charakterisierung von Sternen außerhalb unseres Sonnensystems, einschließlich ihres Alters. Die Kenntnis der physikalischen Struktur von Sternen ist von grundlegender Bedeutung für die Beurteilung der Möglichkeit, Exoplaneten mit ähnlichen Merkmalen wie unsere Erde zu finden, auf denen Leben möglich ist.

Die Projektpartner: Europäische Wissenschaft und Industrie
Die OHB System AG wurde von der ESA als Hauptauftragnehmer für die Entwicklung von PLATO, der dritten M-Klasse-Mission (M-Klasse = Mission mittlerer Größe) im Rahmen des Cosmic-Vision-Programms, ausgewählt. Der Auftrag umfasst neben der Lieferung des zweieinhalb Tonnen schweren Satelliten auch die Unterstützung bei der Startkampagne und der Inbetriebnahmephase im Orbit. Das Engagement von OHB endet erst mit der In-Orbit-Verifikation, bei der die volle Funktionsfähigkeit des Satelliten im Orbit nachgewiesen wird.

Bei der Entwicklung und Produktion des PLATO-Satelliten setzt OHB auf die Kernpartner Thales Alenia Space in Frankreich (Avionik, d.h. das On-Board-Handling der Daten sowie die Lage- und Bahnkontrolle des Satelliten) und Großbritannien (Integration und Test der Satellitenplattform), sowie Beyond Gravity Schweiz (optische Bank für die Kameras). Weitere europäische Unternehmen, darunter die Schwesterunternehmen OHB Sweden, OHB Hellas und OHB Czechspace, sind als Unterauftragnehmer beteiligt. Die 26 etwa kniehohen Kameras und das das On-Board-Datenverarbeitungssystem des Instruments wurden von einem Konsortium europäischer Forschungsinstitute unter der Gesamtkoordination der ESA entwickelt und hergestellt. Der erste Satz von zehn Kameras wurde kürzlich an die OHB System AG in Oberpfaffenhofen, Bayern, geliefert und wird nun schrittweise in die optische Bank integriert.

*) Der Satellit behält auf diesem Orbit seine Orientierung in Bezug auf Sonne und Erde bei. Seine der Sonne zugewandten Solarpanels erzeugen die erforderliche Energie. Auf die in der Regel dreimonatigen Beobachtungszeit folgt ein Schwenkmanöver, das die Nutzlast vor der dann direkten Sonneneinstrahlung schützt.

**) Während es sich bei Planeten um Objekte handelt, die sich im gravitativen Einfluss unserer ‎Sonne befinden, diese also umkreisen, befinden sich Exoplaneten (oder extrasolare Planeten) außerhalb unseres Sonnensystems, also im Gravitationsfeld anderer Sterne.‎

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• PLATO

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Quelle: WWU 6. Oktober 2023.

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

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

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

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: MPIA 14. September 2023.

14. September 2023 – Das etwa 1.000 Lichtjahre von der Erde entfernte Objekt im Sternbild Perseus ist einer der jüngsten und nächstgelegenen Gasströme eines Protosterns und damit ein ideales Ziel für das JWST.

Herbig-Haro-Objekte umgeben neugeborene Sterne und entstehen, wenn Sternwinde oder Gasströme, die von diesen neugeborenen Sternen ausgehen, Stoßwellen bilden, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit mit Gas und Staub in der Nähe zusammenstoßen. Eine neue, faszinierende JWST-Aufnahme von HH 211 zeigt den Ausstrom eines Protosterns der Klasse 0, eines frühen Gegenstücks zu unserer Sonne, das erst einige zehntausend Jahre alt ist und nur 8 % der Masse der heutigen Sonne hat (es wird irgendwann zu einem sonnenähnlichen Stern heranwachsen). Protosterne haben noch nicht das Stadium der Kernfusion erreicht.

Infrarotaufnahmen sind bei der Untersuchung neugeborener Sterne und ihrer Ausströmungen sehr hilfreich, da solche Sterne immer noch in die Gaswolke eingebettet sind, aus der sie entstanden sind. Die Infrarotstrahlung der Ströme durchdringt das trübende Gas und den Staub und macht ein Herbig-Haro-Objekt wie HH 211 ideal für die Beobachtung mit den empfindlichen Infrarotinstrumenten des JWST. Moleküle, die durch die turbulenten Bedingungen angeregt werden, darunter molekularer Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Siliziummonoxid, emittieren infrarotes Licht, das JWST erfassen kann, um die Struktur der Ausströmungen zu kartieren.

Das Bild zeigt eine Reihe von Bugstoßwellen, also durch Gas­kollisionen ausgelöste Strahlung, im Süd­osten (unten links) und Nordwesten (oben rechts) sowie den eingebetteten schmalen bipolaren Jet, der sie antreibt, in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit – eine etwa fünf- bis zehnmal höhere räumliche Auf­lösung als alle bisherigen Bilder von HH 211. Diese Serie von angeregten Stoßwellen deutet auf eine epi­soden­hafte Frei­setzung von Gas hin, die in direktem Zu­sammen­hang mit dem Wachs­tum des Proto­sterns durch einfallenden Staub und Gas steht.

Der innere Jet „wackelt“ spiegelsymmetrisch auf beiden Seiten des zentralen Protosterns. Dies stimmt mit Beobachtungen auf kleineren Größenordnungen überein und deutet darauf hin, dass es sich bei dem Protostern tatsächlich um einen unaufgelösten Doppelstern handeln könnte.

„Solche Beobachtungen mit dem JWST liefern nicht nur atem­beraubende Bilder. Sie geben uns auch ein Werk­zeug in die Hand, mit dem wir die Ent­wicklung der direkten Vorgänger von Sternen in noch nie dagewesener Detail­genauigkeit untersuchen können“, sagt Thomas Henning, Direktor des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Deutschland. „Damit liefern die Beobachtungen unschätzbare Informationen für unser Verständnis der Sternentstehung.“

Frühere Beobachtungen von HH 211 mit bodengebundenen Teleskopen zeigten Gasbewegungen entlang des Ausflusses, indem sie eine Wellenlängenverschiebung der emittierten Strahlung maßen. Nun fand das Team riesige rotverschobene (nordwestlich) und blauverschobene (südöstlich) Bugstoßwellen und hohlraumartige Strukturen im Licht des angeregten Wasserstoffs bzw. Kohlenmonoxids sowie einen knotenreichen und schlängelnden doppelseitigen Jet im Licht des Siliziummonoxids. Mit diesen neuen Beobachtungen mit NIRCam und NIRSpec an Bord des JWST fanden die Forschenden heraus, dass der Gasstrom des Objekts im Vergleich zu ähnlichen, aber weiter entwickelten Protosternen, relativ langsam ist.

Das Team maß die Geschwindigkeit der innersten Jetstrukturen auf etwa 80 bis 100 Kilometer pro Sekunde. Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen diesen Abschnitten des Ausflusses und dem vorgelagerten Material, mit dem sie kollidieren – die Geschwindigkeit der Stoßwelle – ist jedoch viel geringer. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Ausströmungen der jüngsten Sterne, wie die im Zentrum von HH 211, hauptsächlich aus Molekülen bestehen, da die Stoßwellengeschwindigkeiten vergleichsweise niedrig sind und die Energie nicht ausreicht, um die Moleküle in einfachere Atome und Ionen aufzuspalten.

Hintergrundinformationen
Die an dieser Forschung beteiligten MPIA-Forscher sind H. Beuther (Co-I), Th. Henning, und M. Güdel (ebenfalls ETH Zürich, Schweiz und Universität Wien, Österreich).

Die Astronomen beobachteten HH 211 im Rahmen des JWST Cycle 1 Observation Program 1257, „The Young Protostellar Outflow HH211“ (PI: Thomas Ray).

Das Weltraumteleskop James Webb (JWST) ist das weltweit führende Observatorium für die Weltraumforschung. JWST ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisation).

Die Nahinfrarotkamera (NIRCam) und der Nahinfrarotspektrograf (NIRSpec) sind zwei der vier wissenschaftlichen Instrumente des JWST. NIRCam ist der primäre Nahinfrarot-Bildgeber des JWST und liefert hochauflösende Bilder und Spektroskopie für eine Vielzahl von Untersuchungen. NIRSpec bietet niedrig-, mittel- und hochauflösende spektroskopische Beobachtungen im nahen Infrarot (von 0,6 bis 5,0 Mikrometer). Er wurde von der europäischen Industrie nach den Spezifikationen der ESA gebaut. Das MPIA lieferte die Mechanismen für die Filter- und Gitterräder.

Diese Pressemitteilung basiert auf einem ähnlich lautenden Artikel von ESA und STScI/NASA.

Originalveröffentlichung
T. P. Ray et al.
Outflows from the Youngest Stars are Mostly Molecular
Nature (2023)
DOI: dx.doi.org/10.1038/s41586-023-06551-1
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06551-1

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 31. Juli 2023.

31. Juli 2023 – Die Bilder zeigen bereits eine hervorragende Bildqualität. Euclid verfügt über zwei Kameras: die VIS Kamera liefert hochaufgelöste Bilder im sichtbaren Licht, während die NISP Kamera infrarotes Licht misst und sowohl Bilder wie auch Spektren liefert. Mit den Daten von VIS und NISP erhoffen sich die sechs aus Deutschland beteiligten Institute des internationalen Euclid-Konsortiums in Zukunft Aufschluss über den Einfluss der Dunklen Materie und Dunklen Energie auf die Struktur des Universums und die ersten Objekte in der Frühphase des Universums.

Die Reaktionen der Mitglieder des Euclid-Konsortiums sind überschwänglich. „Obwohl diese ersten Testaufnahmen noch nicht für wissenschaftliche Zwecke verwendbar sind, freue ich mich, dass das Teleskop und die beiden Instrumente jetzt im Weltall hervorragend funktionieren“, sagt Knud Jahnke vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg. Er ist einer der zwei Instrumentenwissenschaftler von Euclids Nah-Infrarot Spektrografen und Photometer (NISP).

Diese unbehandelten Rohbilder lieferten die beiden Kameras VIS und NISP. Im Vergleich zu kommerziellen Produkten sind sie ungleich komplexer. VIS setzt sich aus 36 einzelnen CCDs mit insgesamt 609 Megapixeln zusammen und produziert hochpräzise Bilder von Milliarden von Galaxien im sichtbaren Licht. Auf diese Weise bestimmen Astronominnen und Astronomen ihre Gestalt. Die ersten Bilder geben bereits einen Eindruck von der Fülle, die die Daten liefern werden.

NISPs Detektor besteht aus 16 Chips mit insgesamt 64 Megapixeln und arbeitet im nahen Infraroten bei Wellenlängen zwischen 1 und 2 Mikrometern. Zusätzlich dient NISP als Spektrograf, der das Licht der eingefangenen Objekte ähnlich wie einen Regenbogen aufspaltet und eine feinere Analyse ermöglicht. Diese Daten werden die Kartierung der dreidimensionalen Verteilung der Galaxien ermöglichen.

Somit befindet sich an Bord von Euclid die bislang größte Bildebene der Wissenschaftsgeschichte. Euclid wird schon nach wenigen Tagen mehr wissenschaftliche Bildinformation zur Erde gesendet haben, als dies das Weltraumteleskop Hubble in den über 33 Jahren seiner Arbeit bislang tat.

Das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching haben Schlüsselkomponenten zur Optik beigetragen. Die vier bis zu 18 Zentimeter großen und 2,5 Kilogramm schweren Linsen des NISP-Instrumentes bilden darüber hinaus das größte Objektiv, das je in den Weltraum gestartet wurde. Mit einer Genauigkeit der Justage von weniger als 1/10 des Durchmessers eines menschlichen Haares ist es zudem das am besten justierte Objektiv aller Weltraummissionen. Um die notwendigen Genauigkeiten zu erreichen, mussten völlig neue Methoden der Fertigung und Ausrichtung der Linsen erarbeitet werden.

Frank Grupp (MPE und Ludwig-Maximilians-Universität München), der optische Architekt von NISP und Verantwortliche für den Bau und die Justage der hauptsächlichen optischen Komponenten des Instruments räumt ein: „Als ich beim Start der Falcon 9-Rakete mit Euclid an Bord in fast 9 Kilometern Abstand zum Startplatz das Rumpeln der Triebwerke in Bauch und Brust spürte, musste ich doch an »meine« Linsen denken die nur gut 60 Meter von den Motoren entfernt weit größeren Vibrationen ausgesetzt waren. Obwohl wir alles sehr gut und mit ausreichend Sicherheit getestet haben, war ich doch froh, auf den ersten Bildern zu sehen, dass unsere Optik intakt ist und gemäß den Erwartungen hervorragend funktionieren wird.“

Dieser Erfolg war nur durch die Zusammenarbeit der exzellenten Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter im Euclid-Konsortium, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und den Partnern in der Industrie möglich. „Nach 16 Jahren Arbeit für Euclid können wir stolz sein, dass das Teleskop jetzt auch dank unserer Anstrengungen die Augen öffnet und ins Weltall blickt“, ergänzt Grupp.

Nun beginnt die Arbeit für die Ingenieurs- und Wissenschaftsteams, um die am Erdboden entwickelten Einstellungen an die reale Weltraumumgebung anzupassen und die Instrumente zu kalibrieren. Dadurch bekommt die umfangreiche Euclid-Datenverarbeitungssoftware die notwendigen Informationen, um optimierte Bilder der Instrumente VIS und NISP zu berechnen und der Wissenschaft ein Werkzeug für die Erforschung des dunklen Universums zur Verfügung zu stellen.

„Wir freuen uns sehr, dass die Phase der Inbetriebnahme von Euclid gut voranschreitet“, sagt Alessandra Roy, Euclid-Projektleiterin in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. „Die Sonde wird in Kürze ihre endgültige Position in 1,5 Millionen Kilometer Entfernung von der Erde erreichen und mit den wissenschaftlichen Beobachtungen beginnen. Dann wird Euclid Licht in die dunkle Seite des Universums bringen.“

Euclid wird zum ersten Mal vom Weltraum aus systematisch den Einfluss von Dunkler Materie und Dunkler Energie auf die Entwicklung und großräumige Struktur des Alls untersuchen. Diese weitgehend unbekannten und unsichtbaren Bestandteile des Universums machen zusammen einen Anteil von 95 Prozent des Kosmos aus. Während die Dunkle Materie die Gravitationswirkung zwischen und innerhalb von Galaxien bestimmt und zunächst für eine Abbremsung der Ausdehnung des Weltalls sorgte, ist die Dunkle Energie für die derzeitige beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich.

Hintergrundinformationen
Euclid ist eine Weltraummission der Europäischen Weltraumagentur (ESA) mit Beiträgen der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Im „Cosmic Vision“-Programm der ESA (https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/ESA_s_Cosmic_Vision) ist es die zweite M-Klasse-Mission.

VIS und NISP wurden von einem Konsortium aus Wissenschaftlern und Ingenieurinnen aus 17 Ländern entwickelt und gebaut, viele aus Europa, aber auch aus den USA, Kanada und Japan. Aus Deutschland beteiligen sich das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching, die Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München, die Universität Bonn (UB), die Ruhr-Universität Bochum (RUB) sowie die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn.

Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR koordiniert die deutschen ESA-Beiträge und stellt darüber hinaus aus dem Nationalen Raumfahrtprogramm Fördermittel in Höhe von 60 Millionen Euro für die beteiligten deutschen Forschungsinstitute zur Verfügung.
Deutschland ist mit rund 21 Prozent der größte Beitragszahler im ESA-Wissenschaftsprogramm.

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: Julia Weiler Ruhr-Universität Bochum (RUB), mit besonderer Genehmigung, 30. Mai 2023.

„Es ist die größte Mission, an der ich je beteiligt war“, stellt Prof. Dr. Hendrik Hildebrandt fest, als er über den Start des Weltraumteleskops Euclid spricht. Rund 1.500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Europa, Nordamerika und Japan sind Teil des Forschungskonsortiums, das die Mission vorbereitet hat. Mit Spannung fiebert Hildebrandt nun dem Start entgegen. Im Juli 2023 wird es so weit sein.

Euclid will nichts weniger, als eine der größten physikalischen Fragen unserer Zeit beantworten. Nämlich warum sich die Expansion des Universums beschleunigt. „Das Phänomen ist seit über 20 Jahren bekannt“, sagt Hildebrandt, Leiter des Lehrstuhls Beobachtende Kosmologie an der Ruhr-Universität Bochum. „Aber warum tut unser Universum das? Steckt zum Beispiel ein bestimmtes Teilchen dahinter? Es gibt viele Theorien, die alle unter dem Sammelbegriff der Dunklen Energie zusammengefasst werden.“ Die Natur dieser mysteriösen kosmologischen Größe will das Euclid-Team ergründen.

Euclid erfasst die Geschichte der Weltallexpansion
Voraussichtlich sechs Jahre wird das Teleskop Daten sammeln. Eine Rakete des Unternehmens SpaceX befördert es an einen Ort, der rund viermal weiter entfernt als der Mond auf der sonnenabgewandten Seite der Erde liegt. Von hier aus wird Euclid ein Drittel des Himmels beobachten. Anders als das Hubble-Weltraumteleskop, das nur einen winzigen Ausschnitt des Himmels sieht, hat Euclid quasi ein Weitwinkelobjektiv. Bilder von rund zehn Milliarden Galaxien soll es aufnehmen. Dabei schaut es in bis zu zehn Milliarden Lichtjahre Entfernung und somit auch in die Vergangenheit des Universums. Da das Licht eine gewisse Zeit braucht, um die Erde zu erreichen, sehen die Kosmologinnen und Kosmologen, je weiter sie schauen, immer frühere Zustände des Universums.

Anhand der Euclid-Daten kann das Team herausfinden, wie die Materie im Weltall im Lauf der Zeit verteilt war und wie sich Strukturen daraus gebildet haben. „Nach dem Urknall war die Materie relativ gleichmäßig verteilt“, sagt Hendrik Hildebrandt. „Durch Dichtefluktuationen gab es aber Bereiche, die ein wenig dichter waren als andere – und die Gravitation hat dafür gesorgt, dass sie im Lauf der Zeit immer dichter wurden.“ So entstanden Strukturen wie die Galaxien oder Galaxienhaufen.

Um die Materieverteilung zu bestimmen, nutzen die Forschenden den Gravitationslinseneffekt. Dazu müssen sie auch die Entfernung aller Galaxien zur Erde messen, was mithilfe der Rotverschiebung erfolgt: Das Licht von weiter entfernt liegenden Galaxien ist zu röteren Wellenlängen verschoben.

Experte für die Datenkalibrierung
Hier kommt die Expertise von Hendrik Hildebrandts Team ins Spiel. Denn die Rotverschiebung ist gar nicht so leicht zu detektieren. Üblicherweise dienen spektroskopische Messungen als Grundlage. In einem Spektrum wird exakt aufgetragen, wie viel Licht eine Galaxie bei verschiedenen Wellenlängen aussendet, sodass präzise bestimmt werden kann, wie stark das Licht in den roten Bereich verschoben ist. Spektroskopische Messungen sind allerdings aufwendig und unmöglich für Milliarden von Galaxien zu machen. Euclid nutzt daher ein vereinfachtes Verfahren: Es nimmt Bilder der Galaxien in verschiedenen Farbbändern auf, zum Beispiel eines im blauen, eines im grünen und eines im roten Bereich. Dann ermitteln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Helligkeit der Galaxie in den verschiedenen Bildern. So lässt sich die ungefähre Rotverschiebung messen.

Damit das Verfahren möglichst exakt funktioniert, muss es kalibriert werden. Genau hierfür ist Hendrik Hildebrandt weltweit als Experte gefragt. Seit 2011 ist er in die Vorbereitungen zur Euclid-Mission involviert. In Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen in Genf, Marseille, Barcelona, Bologna, München und Pasadena nutzt er Daten von anderen Beobachtungsprogrammen, die in kleinen Himmelsbereichen spektroskopische Messungen durchgeführt haben. „In diesen Bereichen gibt es also Galaxien, über die wir sehr viel wissen“, erklärt der Kosmologe. Dieses Wissen können die Forschenden mit den neuen Aufnahmen von Euclid zusammenbringen und so eine Kalibrierung vornehmen, die es erlaubt, die Rotverschiebung auch von neu aufgenommenen Galaxien zuverlässig zu bestimmen. Denn nur wenn die Entfernungen der Galaxien bekannt sind, kann das Euclid-Team die Expansionsgeschichte und das Wachstum der Strukturen des Universums rekonstruieren – und so ergründen, was es mit der Dunklen Energie auf sich hat.

Relativitätstheorie im Test und Neutrinos auf der Waage
Nebenbei widmet sich Euclid noch anderen Fragen, testet zum Beispiel Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie in Bereichen, in denen sie noch nie zuvor auf den Prüfstand gestellt worden ist. Oder versucht, die bislang unbekannte Masse von Neutrinos – einer Sorte von Elementarteilchen – zu ermitteln. Aber das ist noch nicht alles.

„Euclid wird an so viele Stellen des Universums gucken, wo wir noch nie zuvor hingeschaut haben“, schwärmt Hendrik Hildebrandt. „Wenn wir in 20 bis 30 Jahren auf die Mission zurückschauen, wird sie uns eventuell gar nicht für die Erkenntnisse in Erinnerung geblieben sein, für die sie ursprünglich gestartet wurde – sondern für Dinge, die wir jetzt gar nicht erwarten. Das ist vielleicht das Tollste an dieser Mission: Ich bin mir fast sicher, dass wir etwas Neues finden werden. Etwas, womit wir jetzt noch gar nicht rechnen.“

Kooperationspartner
Für die Kalibrierung der Rotverschiebung arbeitet Hendrik Hildebrandt mit Partnerinnen und Partnern der Ludwig-Maximilians-Universität München, des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik, der Universität Genf, dem Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, der Universitat Autònoma de Barcelona, dem Osservatorio di Astrofisica di Bologna sowie dem California Institute of Technology in Pasadena, USA, zusammen.

Mission Euclid
Euclid ist eine Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA, kurz für European Space Agency. Auch die US-Organisation NASA ist involviert. Im Juli 2023 wird die Mission ein Weltraumteleskop ins All befördern, das eine vergleichbare Auflösung wie das Hubble-Teleskop haben wird, aber einen viel größeren Ausschnitt des Himmels betrachten kann. Euclid schaut quasi überall hin, wo der Blick nicht durch die Milchstraße oder die Ekliptik – die Ebene, in der Sonne und Planeten aus Sicht der Erde liegen – versperrt ist. Es wird aber noch etwas Zeit vergehen, bis es an seinem Bestimmungsort angekommen ist, Daten gesendet hat und diese prozessiert und analysiert sind. Die Forschenden rechnen mit den ersten kosmologischen Auswertungen frühestens in der ersten Jahreshälfte 2025.

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: MPE, 30. März 2023.

Forscher des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik haben eine neue Methode zur Herstellung und Anpassung großer, hochwertiger Spiegel entwickelt, die viel dünner sind als herkömmliche Spiegel für Weltraumteleskope. Die so entstandenen Spiegel sind so flexibel, dass sie aufgerollt und kompakt in einer Trägerrakete verstaut werden könnten.

Der Start und die Inbetriebnahme von Teleskopen im All ist ein kompliziertes und kostspieliges Verfahren“, sagt Sebastian Rabien vom MPE. „Dieser neue Ansatz – der sich stark von den üblichen Verfahren zur Herstellung und zum Polieren von Spiegeln unterscheidet – könnte dazu beitragen, die Probleme in Bezug auf Gewicht und Verstauen in der Rakete zu lösen.“ Damit könnten viel größere und damit empfindlichere Teleskope in die Umlaufbahn gebracht werden.

Das neue Verfahren wurde während der COVID-19-Pandemie entwickelt, als Rabien nach eigenen Angaben etwas mehr Zeit zum Nachdenken und Ausprobieren neuer Konzepte hatte. Die neue Technik: Die Spiegel wachsen, wenn sich chemischer Dampf auf einer rotierenden Flüssigkeit in einer Vakuumkammer ablagert. Prototypen derartiger Membranspiegel in Parabelform mit einem Durchmesser von bis zu 30 cm wurden erfolgreich hergestellt und somit die Durchführbarkeit der Methode demonstriert. „Damit wurde die Grundlage für größere, verformbare Spiegelsysteme geschaffen, die weniger teuer sind als üblich“, fügt Rabien hinzu.

Für die Abscheidung werden monomere Moleküle erzeugt, die sich in einer Vakuumkammer auf der Oberfläche ablagern und zu einem Polymer verbinden. Dieses Verfahren, das üblicherweise zum Aufbringen von Beschichtungen verwendet wird, um z. B. Elektronik wasserfest zu machen, wurde nun erstmals eingesetzt, um Membranspiegel in Parabelform mit den für den Einsatz in Teleskopen erforderlichen optischen Eigenschaften herzustellen. Der Clou: ein rotierender Behälter, der mit etwas Flüssigkeit gefüllt ist. Durch die Rotation bildet sich eine perfekte Parabelform – damit ist die „Vorlage“ erschwinglich und leicht kann auf Großformate skaliert werden. Sobald das Polymer dick genug ist, wird auf der Oberseite eine reflektierende Metallschicht aufgebracht und die Flüssigkeit abgewaschen.

Der so hergestellte dünne und leichte Spiegel kann für die Reise ins All einfach zusammengefaltet oder aufgerollt werden. Allerdings wäre es fast unmöglich, ihn nach dem Auspacken wieder in die perfekte Parabelform zu bringen. Die Forscher entwickelten daher eine adaptive Methode, um die Form basierend auf einer lokalisierten Temperaturänderung zu kontrollieren. Die Temperatur wird dabei durch eine räumlich variable Lichtprojektion gesteuert.

Als Nächstes wollen die Forscher die adaptive Steuerung noch weiter verfeinern, um herauszufinden, wie gut die endgültige Oberfläche angepasst werden kann und welches Maß an Verformung tolerierbar ist. Außerdem wollen sie eine Beschichtungskammer bauen, in der Spiegel mit einem Durchmesser von bis zu einem Meter gefertigt werden können. Damit können Oberflächenstruktur sowie der Prozess zur Verformung und Entfaltung für einen großen Primärspiegel besser untersucht werden.

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• Max-Plank-Institut für extraterrestrische Physik (MPE)

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 2. März 2023.

2. März 2023 – Mit einem zweitägigen Workshop, zugleich ein Kick-off Meeting, haben die Universitäten Mainz und Würzburg die deutsche Beteiligung am NASA-Satelliten COSI vorbereitet. Aus Mainz ist die Gruppe von Prof. Dr. Uwe Oberlack vom Exzellenzcluster PRISMA+ beteiligt, aus Würzburg die Gruppe um den Astrophysiker Dr. Thomas Siegert.

Das Gammastrahlenteleskop mit dem Namen Compton Spectrometer and Imager (COSI) wird die jüngste Geschichte der Sternentstehung, von Sternexplosionen und der Bildung chemischer Elemente in der Milchstraße untersuchen, die für die Entstehung der Erde selbst entscheidend waren. Es wird vom Space Sciences Laboratory der University of California Berkeley geleitet und soll 2027 als neueste „kleine Astrophysik-Mission“ (Small Explorer) der NASA starten. Im Oktober 2021 hatte die NASA COSI aus 18 eingereichten Vorschlägen als neues Weltraumteleskop ausgewählt.

COSI wird die Gammastrahlung radioaktiver Atome untersuchen, die bei der Explosion massereicher Sterne entstehen, um zu kartieren, wo in der Milchstraße chemische Elemente entstanden sind. Die Mission wird auch den mysteriösen Ursprung der Positronen in unserer Galaxie erforschen, die auch als Antielektronen bekannt sind – subatomare Teilchen, die die gleiche Masse wie Elektronen, aber eine positive Ladung haben. Ein weiteres wichtiges Ziel ist die Suche nach Strahlung, die von Teilchen der Dunklen Materie erzeugt wird.

Die deutsche Beteiligung an COSI ist eine Kooperation des Lehrstuhls für Astronomie der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und des Exzellenzclusters PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und wird durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert. Besonders interessant an der Mission ist die neue Thematik der „Megaelektronenvolt (MeV)-Gammaastronomie“, denn sie erlaubt die Beobachtung des Himmels in einem Bereich der elektromagnetischen Strahlung, der noch weitgehend unerforscht ist. Frühere Missionen unter führender deutscher Beteiligung, wie das erste Compton-Teleskop COMPTEL auf dem Compton Gamma-ray Observatory der NASA in den 90er-Jahren und das europäische Teleskop INTEGRAL in den letzten 20 Jahren, haben im Hinblick auf die Empfindlichkeit der Himmelsdurchmusterung nur die hellsten Quellen sehen können. COSI wird hier deutlich empfindlicher.

Dieser Energiebereich ist aber nicht nur wenig erforscht, er ist auch besonders interessant, weil er den Bereich der Energieniveaus in Atomkernen darstellt, die Ruheenergie der Positronen umfasst, sowie die Suche nach Dunkler Materie in einem bisher nicht zugänglichen Bereich ermöglicht. Kürzliche Hinweise auf astrophysikalische Neutrinos könnten auf Quellen hindeuten, die im MeV-Energiebereich sichtbar sein könnten. „COSI wird dutzende Quellen innerhalb und außerhalb der Milchstraße detektieren und dadurch den Weg frei machen für noch größere Weltraumteleskope”, sagt der Würzburger Astrophysiker Dr. Thomas Siegert.

„Die COSI Mission hat vielfältige Anknüpfungspunkte zum Forschungsprogramm von PRISMA+“, erläutert der Mainzer Experimentalphysiker Prof. Dr. Uwe Oberlack. „Einer von ihnen ist das Forschungsfeld der Antimaterie – mit Blick auf die Suche nach galaktischen Positronen -, ein anderer die Suche nach Dunkler Materie. Das ist deshalb spannend, da als Alternative zu schwereren hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie, sogenannten WIMPs, zunehmend auch Teilchen bei leichten Massen im MeV-Bereich als Kandidaten für diese exotische Materieform diskutiert werden. Hier wird COSI ein neues Beobachtungsfenster für die Suche nach Dunkler Materie mit Gammastrahlen öffnen. Auch die Multimessenger-Astronomie im Hinblick auf die Suche nach kosmischen Neutrinos, die wir bei PRISMA+ mit dem IceCube Experiment betreiben, könnte von der neuen Mission profitieren.“

Dr. Thomas Siegert ergänzt: „Der Würzburger Lehrstuhl für Astronomie ist mit seinen vielfältigen Arbeitsgruppen passgenau für dieses Vorhaben aufgestellt. Mit COSI können wir die Jets von Mikroquasaren untersuchen, also Doppelsterne mit einem Neutronenstern oder einem schwarzen Loch. So stellen wir fest, ob diese Quellen auch große Mengen an Positronen erzeugen. In Würzburg arbeiten wir gemeinsam an Jet-Modellen auf allen Größenskalen — von kleinsten schwarzen Löchern bis hin zu aktiven Galaxienkernen. Des Weiteren interessieren wir uns für die Bildung chemischer Elemente in Sternen und durch Supernovae. Diese kann mittels COSI besonders detailliert untersucht werden, da die radioaktiven Elemente charakteristische Gammastrahlen aussenden, die sich dank COSIs hoher spektraler Auflösung voneinander unterscheiden lassen. So lernen wir, warum die Verteilung der Elemente in der Milchstraße so ist, wie sie ist.“

Beim Workshop in Mainz wurden zunächst die COSI-Kollaboration und der Status der Vorbereitungen zum Beispiel im Hinblick auf die Datenanalyse vorgestellt. Anschließend diskutierten die Teilnehmer die geplanten Arbeitspakete, aktuelle Forschungsfragen und den momentanen Stand der Vorbereitung. Im Ergebnis war es ein sehr guter Start, um das COSI-Team in Deutschland zu formen und die nächsten Schritte abzusprechen. Eines ist jetzt schon klar: Der Start der Mission wird von allen Teilnehmenden mit großer Spannung erwartet.

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• Gammastrahlung

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Quelle: Universität Heidelberg 14. Dezember 2022.

14. Dezember 2022 – Mit den Beobachtungen einer weit entfernten und sehr hellen Galaxie hat ein internationales Forschungsteam mithilfe des James Webb Space Telescope (JWST) einen Galaxienhaufen und zugleich eines der dichtesten bekannten Gebiete der Galaxienentstehung im frühen Universum entdeckt. Die Beobachtungen mit dem neuen Weltraumteleskop enthüllten einen Galaxien-Protohaufen, der sich im Umfeld eines Quasars bildet. Dieser noch in Entstehung begriffene Galaxienhaufen könnte Aufschluss darüber geben, wie sich die Galaxien im frühen Universum zum heute sichtbaren kosmischen Netz entwickelt haben. Geleitet wurden die Forschungsarbeiten von Dr. Dominika Wylezalek, Wissenschaftlerin am Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH).

Ziel der Untersuchungen war eine Galaxie mit einem sehr aktiven und hellen Kern, der von einem extrem massereichen Schwarzen Loch im Herzen der Galaxie gespeist wird. Von einem solchen als Quasar bezeichneten Kern wird angenommen, dass er einen sogenannten galaktischen Wind auslösen kann, der Gas aus der Heimatgalaxie verdrängt. Diese Ausflüsse von Materie könnten damit die Entstehung anderer Sterne und Galaxien beeinflussen. Das internationale Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Wylezalek hat den Quasar SDSS J165202.64+172852.3 – kurz J1652 – mit dem James Webb Space Telescope beobachtet. Er existierte bereits im sehr frühen Universum, das heißt vor etwa 11,5 Milliarden Jahren. Sein auffälliges rotes Licht wurde durch seine große Entfernung und die Ausdehnung des Universums in den Infrarotbereich verschoben. Daher eignet sich der Quasar J1652 ganz besonders für Beobachtungen mit dem für diesen Spektralbereich konzipierten James-Webb-Teleskop.

In früheren Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass schnelle Gasausflüsse von dem Quasar angetrieben werden; zudem wurden Hinweise auf das Verschmelzen des Quasars mit einer Nachbargalaxie gefunden. Überraschenderweise bestätigen die Beobachtungen mit dem JWST, dass nicht nur eine einzige Galaxie, sondern mindestens drei weitere mit hoher Geschwindigkeit und sehr dicht gepackt umherwirbeln. In der Wissenschaft wird ein derartiges System auch als Galaxien-Protohaufen bezeichnet – ein Galaxienhaufen in der Phase der Entstehung. Die Objekte im direkten Umfeld des Quasars wurden im infraroten Spektralbereich analysiert. Sie deuten nach Angaben von Dr. Wylezalek darauf hin, dass J1652 Teil eines dichten Knotens der Galaxienentstehung ist. Erst die hervorragenden bildgebenden und spektroskopischen Fähigkeiten des James Webb Space Telescope erlauben diese Schlussfolgerung. „Es gibt nur wenige Galaxien-Protohaufen, die zu diesem frühen Zeitpunkt bekannt sind. Sie sind schwer zu finden und nur sehr wenige hatten seit dem Urknall Zeit, sich zu bilden. Unsere Entdeckung könnte dabei helfen, zu verstehen, wie sich Galaxien in dichten Umgebungen entwickeln“, so die Astrophysikerin. „Wir werfen einen Blick in die frühesten Entwicklungsphasen dieser Galaxien.“

Das internationale Forscherteam glaubt, eines der dichtesten bekannten Gebiete der Galaxienentstehung im frühen Universum entdeckt zu haben – aufgrund der Geschwindigkeit, mit der drei bestätigte Galaxien einander umkreisen, und der Dichte, mit der sie in die Region um den Quasar „gepackt“ sind. „Selbst ein dichter Knoten aus Dunkler Materie reicht nicht aus, um die von uns beobachteten Eigenschaften zu erklären. Wir nehmen an, dass wir eine Region sehen, in der zwei Knoten aus Dunkler Materie miteinander verschmelzen“, sagt die Wissenschaftlerin, die an der Universität Heidelberg eine Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe an dem zum ZAH gehörenden Astronomischen Rechen-Institut leitet. Von Folgebeobachtungen erhofft sie sich Aufschluss darüber, wie solche dichten, chaotischen Galaxienhaufen entstehen und wie sie sich zum heute sichtbaren kosmischen Netz entwickelt haben. Mit ihrem Team, zu dem auch Postdoktorandin Dr. Caroline Bertemes gehört, will Dr. Wylezalek zunächst herausfinden, welchen Einfluss galaktische Winde und die von dem aktiven, supermassiven Schwarzen Loch in seinem Herzen erzeugten Quasar-Rückkopplungen auf den Protohaufen ausüben.

An den Forschungsarbeiten waren neben dem Heidelberger Team auch weitere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Deutschland sowie aus Frankreich, Großbritannien, Mexiko und den USA beteiligt. Die Beobachtungen mit dem James Webb Space Telescope fanden im Rahmen des sogenannten Early Release Science-Programms innerhalb der ersten fünf Monate nach Beginn des wissenschaftlichen Betriebs des JWST statt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Daimler und Benz Stiftung und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt haben die Arbeiten an der Universität Heidelberg unterstützt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht.

Originalpublikation:
D. Wylezalek, A. Vayner, D. S. N. Rupke, N. L. Zakamska, S. Veilleux, Y. Ishikawa, C. Bertemes, W. Liu, J. K. Barrera-Ballesteros, H.-W. Chen, A. D. Goulding, J. E. Greene, K. N. Hainline, F. Hamann, T. Heckman, S. D. Johnson, D. Lutz, N. Lützgendorf, V. Mainieri, R. Maiolino, N. P. H. Nesvadba, P. Ogle, E. Sturm: First Results from the JWST Early Release Science Program Q3D: Turbulent Times in the Life of a z ∼ 3 Extremely Red Quasar Revealed by NIRSpec IFU, The Astrophysical Journal Letters (15 November 2022), DOI: 10.3847/2041-8213/ac98c3, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac98c3, pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac98c3/pdf.

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: Max-Planck-Institut für Kernphysik 6. Dezember 2022.

6. Dezember 2022 – Die im Labor gemessenen Intensitätsverhältnisse wichtiger Strahlungslinien von Eisen wichen bislang von den berechneten ab, und damit herrschte auch Unklarheit über die aus den Röntgenspektren abgeleiteten Zustände sehr heißer Gase, wie in der Korona der Sonne oder der Umgebung Schwarzer Löcher. Mit den neuen experimentellen Daten wurde nun eine Übereinstimmung mit der Theorie erreicht. Damit können Röntgendaten von Weltraumteleskopen zukünftig mit hohem Vertrauen an die dahinterliegenden Atommodelle analysiert werden.

Nahezu alles, was wir über ferne Sterne, Gasnebel und Galaxien wissen, beruht auf der Analyse des Lichts, das wir von ihnen empfangen. Genauer gesagt, der elektromagnetischen Wellen, denn mittlerweile steht Astronomen deren gesamtes Spektrum zur Verfügung. In welchem Spektralbereich ein Körper oder ein Gas besonders hell leuchtet, hängt vor allem von seiner Temperatur ab: Je heißer, desto energiereicher die Strahlung. Im Weltraum befindet sich mehr als 99 Prozent der gesamten sichtbaren Materie im Plasmazustand; es ist so heiß, dass die Atome ein oder mehrere Elektronen verloren haben und als positiv geladene Ionen vorliegen. Extrem heiße Plasmen mit Temperaturen von mehr als eine Million Grad gibt es zum Beispiel in der während einer totalen Sonnenfinsternis sichtbaren Korona der Sonne. Darüber hinaus findet man sie in der Umgebung von Schwarzen Löchern oder als intergalaktisches Gas zwischen den Galaxien.

Die von solchen Plasmen ausgesandte Röntgenstrahlung weist die Fingerabdrücke der in ihnen befindlichen chemischen Elemente auf. Sehr prominent sind Strahlungslinien (Emissionslinien) von mehrfach ionisiertem Eisen, insbesondere Fe XVII, das von seinen ursprünglichen 26 Elektronen 16 verloren hat. Der Grund: Eisen ist unter den schweren Elementen häufig und Fe XVII über einen breiten Temperaturbereich vertreten.

Bei der Analyse eines Röntgenspektrums vergleicht man neben den Energien der Emissionslinien unter anderem die Intensitätsverhältnisse charakteristischer Linien. Um daraus auf die Eigenschaften des kosmischen Plasmas schließen zu können, muss man diese Intensitätsverhältnisse gut kennen. Das ist möglich, indem man sie theoretisch berechnet und im Labor experimentell überprüft. Und genau das war bislang das Problem: Quantenmechanische Rechnungen und Laborergebnisse des Intensitätsverhältnisses von zwei starken Linien namens 3C und 3D wichen um etwa 20 Prozent voneinander ab und stellten unser Verständnis atomarer Struktur und das Vertrauen in die genutzten Modelle in Frage.

Das war nicht nur ein Problem für die Astronomen, sondern auch für die Physiker, denn wo lag der Fehler, in der Theorie oder dem Experiment? Vor zwei Jahren hatte das Team um Doktorand Steffen Kühn vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) das bis dahin genauestes Experiment durchgeführt, und auch damals blieb eine unerklärbare Diskrepanz bestehen. Das MPIK-Theorieteam um Natalia Oreshkina und Zoltan Harman, sowie Marianna Safronova und Charles Cheung in den USA und Julian Berengut in Australien hatten Supercomputer heißlaufen lassen, um die Emissionslinien 3C und 3D von Fe-XVII mit höchster Präzision erneut zu berechnen: Die Diskrepanz sowie die Fragestellung blieben: Wer hatte Recht?

„Wir waren überzeugt alle damals bekannten systematische Effekte bei der Messung im Griff zu haben“, erinnert sich Kühn. Doch in einem letzten Anlauf wollte er und das Forscherteam geleitet von José Crespo der Sache auf den Grund gehen: Anstelle des Intensitätsverhältnisses der beiden Linien versuchte man die absolute Stärke der einzelnen Übergänge, auch Oszillatorstärke genannt, zu vermessen. Doch um diese individuellen Linienstärken zu vermessen und den Übeltäter der beiden Linien in der theoretischen Betrachtung zu identifizieren, musste die Qualität der Messdaten erheblich verbessert werden.

Für diese knifflige Messung hat Kühn im Rahmen seiner Doktorarbeit eine Electron Beam Ion Trap Apparatur (PolarX-EBIT) verwendet, die im Rahmen eines Projekts von Postdoc Sonja Bernitt am MPIK gebaut worden war. In ihr werden Eisen-Ionen durch einen Elektronenstrahl produziert und in einem Magnetfeld gefangen. Dabei entfernt der Elektronenstrahl die äußeren Elektronen der Eisen-Ionen, bis das gewünschte Fe XVII vorliegt. Dann werden die gefangenen Eisen-Ionen mit Röntgenlicht geeigneter Energie bestrahlt, sodass sie leuchten. Dafür muss die eingestrahlte Energie der Röntgenphotonen variiert werden, bis die gesuchten Linien exakt getroffen werden. Da handelsübliche Quellen die benötigte Röntgenstrahlung nicht produzieren können, musste die PolarX-EBIT zum DESY nach Hamburg transportiert werden. Dort erzeugt das Synchrotron PETRA III einen Röntgenstrahl, dessen Energie sich über einen bestimmten Energiebereich durchstimmen lässt. Auf diese Weise regt man die Eisen-Ionen zur Emission von Röntgenstrahlung an, die dann in Abhängigkeit von der eingestrahlten Photonenenergie spektral analysiert wird.

Mit trickreichen Verbesserungen an der Apparatur und am Messschema gelang es Kühn mit seinen Kollegen Moto Togawa, René Steinbrügge und Chintan Shah, in langen Tagen und kurzen Nächten an der PETRAIII-Strahlröhre die Auflösung der Spektren im Vergleich zu ihrer vorherigen Messung noch einmal zu verdoppeln und den störenden Untergrund, wie er bei jeder Messung auftritt, um einen Faktor tausend zu unterdrücken. Die enorm verbesserte Datenqualität brachte den Durchbruch: Erstmals konnten die zu untersuchenden Emissionslinien vollständig von benachbarten Linien getrennt werden. Außerdem ließen sich die Linien 3C und 3D nun bis zum äußersten Rand vermessen. „In den bisherigen Messungen waren die Flügel dieser Linien im Untergrund versteckt, was zu einer fehlerhaften Interpretation der Intensitäten geführt hatte“, erklärt Kühn. Damit ist auch Maurice Leutenegger vom NASA Goddard Space Flight Center hochzufrieden, der als Experte für Röntgenastrophysik am Experiment mitbeteiligt war: Das Endergebnis stimmt nun hervorragend mit den theoretischen Vorhersagen überein. Das freut auch die Theoretiker.

Damit ist das Vertrauen in die quantenmechanischen Rechnungen gestärkt, mit denen astrophysikalische Spektren analysiert werden. Dies gilt besonders für Linien, für die es keine experimentellen Vergleichswerte gibt“, verdeutlicht Kühn die Bedeutung des neuen Resultats. Und die Spektren der Weltraumteleskope können nun mit höherer Genauigkeit ausgewertet werden. Das betrifft auch zwei große Röntgenobservatorien, die demnächst ins All gelangen sollen: Das unter japanischer Leitung gebaute X-Ray Imaging Spectroscopy Mission (XRISM, Start im Mai 2023) und das Athena X-Ray Observatory der Europäischen Weltraumorganisation ESA (Start in den frühen 2030er Jahren).

Originalpublikation:
New Measurement Resolves Key Astrophysical Fe-XVII Oscillator Strength
Steffen Kühn, Charles Cheung, Natalia S. Oreshkina, René Steinbrügge, Moto Togawa, Sonja Bernitt, Lukas Berger, Jens Buck, Moritz Hoesch, Jörn Seltmann, Florian Trinter, Christoph H. Keitel, Mikhail G. Kozlov, Sergey G. Porsev, Ming Feng Gu, F. Scott Porter, Thomas Pfeifer, Maurice A. Leutenegger, Zoltán Harman, Marianna S. Safronova, José R. Crespo López-Urrutia and Chintan Shah
Physical Review Letters, 5. Dezember 2022 DOII: doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.245001, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.245001.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: ESA 28. Oktober 2022.

28. Oktober 2022 – Warum erzeugt das Licht im mittleren Infrarotbereich auf dem Bild des Mittelinfrarot-Instruments (MIRI) von Webb eine so düstere, unheimliche Stimmung? Interstellarer Staub hüllt die Szene ein. Und während das Licht im mittleren Infrarot besonders gut erkennen lässt, wo sich Staub befindet, sind die Sterne bei diesen Wellenlängen nicht hell genug, um sichtbar zu werden.

In dieser Region haben sich Tausende und Abertausende von Sternen gebildet. Das zeigt sich deutlich, wenn man das jüngste Bild der Nahinfrarotkamera (NIRCam) von Webb von diesem Objekt betrachtet. In der Ansicht von MIRI scheinen die meisten Sterne zu fehlen. Viele neu entstandene Sterne sind nicht mehr von ausreichend Staub umgeben, um im mittleren Infrarotlicht erkannt zu werden. Stattdessen beobachtet MIRI junge Sterne, die ihren staubigen „Umhang“ noch nicht abgelegt haben.

Das Licht im mittleren Infrarot eignet sich hervorragend zur Beobachtung von Gas und Staub bis ins kleinste Detail. Auch im Hintergrund ist dies unverkennbar. Die dichtesten Staubbereiche sind die dunkelsten Grautöne. Der rote Bereich an der Spitze, der ein unheimliches V bildet, wie eine Eule mit ausgebreiteten Flügeln, ist der Bereich, in dem der Staub diffus und kühler ist. Bemerkenswert ist, dass keine Hintergrundgalaxien zu sehen sind – das interstellare Medium im dichtesten Teil der Milchstraßenscheibe ist zu sehr mit Gas und Staub aufgebläht, als dass ihr entferntes Licht durchdringen könnte.

Wie groß ist diese Landschaft? Folgen Sie der obersten Säule und gehen Sie auf den leuchtend roten Stern, der wie ein Besenstiel aus der unteren Kante herausragt. Dieser Stern und sein staubiger Mantel sind größer als unser ganzes Sonnensystem.

Diese Szene wurde erstmals 1995 vom Hubble-Weltraumteleskop der NASA/ESA und 2014 erneut aufgenommen. Allerdings haben auch viele andere Observatorien von Weltrang, wie das Herschel-Teleskop der ESA, diese Region genau unter die Lupe genommen. Jedes moderne Instrument bietet den Forscher*innen verlockende neue Details über diese Region, die praktisch von Sternen nur so strotzt. Die Astronom*innen gewinnen mit jeder Beobachtung neue Informationen und gewinnen durch ihre laufenden Forschungen ein tieferes Verständnis für diese sternbildende Region. Jede Wellenlänge des Lichts und jedes moderne Instrument liefert weitaus präzisere Zählungen von Gas, Staub und Sternen, die den Forscher*innen Aufschluss über die Entstehung von Sternen geben. Dank der neuen MIRI-Aufnahme stehen den Astronom*innen nun höher aufgelöste Daten im mittleren Infrarot als je zuvor zur Verfügung. Sie werden die weitaus präziseren Staubmessungen analysieren, um ein vollständigeres dreidimensionales Bild dieser fernen Region zu erstellen.

Die Säulen der Schöpfung befinden sich innerhalb des riesigen Adlernebels, der 6.500 Lichtjahre entfernt ist.

Weitere Informationen
Das Webb-Teleskop ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All geschossen wurde. Im Rahmen eines internationalen Kooperationsabkommens war die ESA für den Start des Teleskops mit der Trägerrakete Ariane 5 zuständig. In Zusammenarbeit mit ihren Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Ariane-5-Anpassungen für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startdienstes durch Arianespace verantwortlich.

Die ESA stellte auch das Arbeitstier, den Spektrografen NIRSpec, und 50 % des Mittelinfrarot-Instruments MIRI zur Verfügung, das von einem Konsortium aus national finanzierten europäischen Einrichtungen (dem europäischen MIRI-Konsortium) in Zusammenarbeit mit JPL und der Universität von Arizona entwickelt und gebaut wurde.

Das Webb-Teleskop ist ein internationales Joint Venture zwischen der NASA, der ESA und der Canadian Space Agency (der kanadischen Raumfahrtbehörde CSA).

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: TU Wien 6. Juli 2022.

6. Juli 2022 – Seit Jahren gelingen dem TU Wien Space Team immer wieder spektakuläre Erfolge: Man beförderte Raketen in eine Höhe von mehreren Kilometern, man entwickelte Mini-Satelliten, die ins All transportiert wurden, immer wieder trat man auch bei internationalen Challenges gegen Teams von anderen Universitäten an. Nun glückte dem Verein, der aus Studierenden verschiedener Fachrichtungen der TU Wien besteht, der nächste Meilenstein: Man entwickelte einen Raketenprüfstand, mit dem man leistungsfähige Flüssigtriebwerke testen kann. Das ist eine wichtige Voraussetzung für die nächste Generation von Raketen, die das Team nun konstruieren möchte.

Fest oder flüssig?
Wenn ein Raketentriebwerk gezündet wird, braucht es mehr Sauerstoff als die Umgebungsluft zur Verfügung stellen kann. Man muss der Flamme also den Sauerstoff direkt zuliefern. Dafür gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten: „Bei kleinen Raketen, besonders im Hobbybereich, verwendet man normalerweise Feststoffmotoren, in denen der Oxidator mit dem Brennstoff vergossen wird“, erklärt Taras Weinl, Vizepräsident des TU Wien Space Teams. „Wenn man den Motor zündet, reagiert beides miteinander. So funktionieren auch gewöhnliche Feuerwerksraketen.“

Die meisten Trägerraketen heutzutage verwenden Flüssigtreibstoffe. Man verwendet getrennte Flüssigkeitstanks – einen für den Brennstoff, den anderen für das Oxidationsmittel. Flüssigtriebwerke geben mehr Flexibilität, ermöglichen dazu oft Schubregelung und Wiederzündbarkeit, sind dafür aber wesentlich komplexer: Man muss die Stoffe im richtigen Verhältnis zusammenfügen und die passende Mischung erzeugen, um eine kontinuierliche, effiziente Verbrennung zu ermöglichen.

Franz, die neue Testanlage
„Die NASA oder SpaceX verwenden immer Flüssigraketen. Für Studierendenteams ist das aber noch ungewöhnlich“, sagt Taras Weinl. „Es gibt weltweit derzeit nur ganz wenige Teams, die sich an das Thema Flüssigrakete heranwagen.“ Das TU Wien Space Team beschloss bereits 2017, sich mit diesem Thema zu beschäftigen. Weil die Technologie deutlich komplizierter ist, muss man die Triebwerke unbedingt am Boden testen, bevor man Raketen in den Himmel schickt. Kleine Triebwerke testet das Team bereits seit einigen Jahren. Mit der neuen Triebwerktestanlage „Franz“, können nun auch Testreihen für große Triebwerke durchgeführt werden.

„Franz“ ist auf Raketentriebwerke mit einem Schub von bis zu 25 Kilonewton ausgelegt. Zum Vergleich: Ein Formel-1-Auto, das innerhalb von 2,5 Sekunden auf 100 km/h beschleunigt, hat einen Schub von etwa 8 Kilonewton. Die gesamte Testanlage wurde so konstruiert, dass sie auf einen Fahrzeuganhänger passt. Aus Sicherheitsgründen werden große Raketentriebwerke nur an entlegenen Orten getestet, wo man garantiert niemanden gefährdet – etwa in Steinbrüchen, die für den Test gesperrt werden.

Das Team ist während des Tests gut 100 Meter vom Teststand entfernt und steuert den Ablauf am Computer. Sauerstoff und Ethanol werden zerstäubt und gezündet. Aus der Brennkammer, die aus einer dicken Kupferschicht besteht, schießt ein weißer Feuerstrahl. Sensoren überwachen den Ablauf aller wesentlichen Prozesse und messen den erzielten Schub.

Erster Triebwerkstest
Im Juni wurde nun erstmals ein Triebwerksversuch durchgeführt, nun wurden die Daten ausgewertet. Getestet wurde ein Triebwerk mit neuartiger Injektortechnologie. „Alles hat super geklappt. Für uns ist das ein wichtiger Durchbruch. Wir haben mit unserem Teststand nun die Möglichkeit, leistungsstarke Flüssigtriebwerke zu testen und damit viel größere Raketen zu konstruieren als bisher.“

Auch wenn Österreich nicht zu den führenden Nationen der Weltraumforschung gehört – das Know-how des TU Wien Space Teams stößt auch hier in der Industrie auf viel Interesse. „Wir arbeiten gern mit verschiedensten Firmen zusammen und freuen uns, dass vom kleinen Start-up bis zum großen Player viele an unseren Leistungen interessiert sind“, sagt Taras Weinl.

Die Stärke des Teams liegt vor allem in seiner Vielseitigkeit: Von mechanischen Berechnungen bis zur Elektronik werden viele kleinere und größere Probleme vom Team selbst gelöst – daher sucht das Team auch immer wieder Space-begeisterte aus allen Studienrichtungen, die ihr Wissen in der Praxis umsetzen wollen, etwas komplett Neues lernen möchten oder einfach nur auf der Suche nach Herausforderungen sind.

Mehr über das TU Wien Space Team: https://spaceteam.at/

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• Raketentechnik

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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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