Deutsche Beteiligung am neuen NASA-Weltraumteleskop COSI

Kick-off Meeting steckt Rahmen für geplantes Forschungsprogramm der Universitäten Mainz und Würzburg ab.

Mit einem zweitägigen Workshop, zugleich ein Kick-off-Meeting, haben die Universitäten Mainz und Würzburg die deutsche Beteiligung am NASA-Satelliten COSI vorbereitet. Der „Compton Spectrometer and Imager“ soll die jüngste Geschichte der Stern­ent­stehung, von Stern­explosionen und der Bildung chemischer Elemente in der Milchstraße untersuchen. Es wird vom Space Sciences Laboratory der University of California Berkeley geleitet und soll 2027 als „Small Explorer“-Mission der NASA starten. Im Oktober 2021 hatte die NASA COSI aus 18 einge­reichten Vorschlägen als neues Weltraum­teleskop ausgewählt.

Abb.: Künst­le­rische Dar­stel­lung des Welt­raum­tele­skops COSI, das...
Abb.: Künst­le­rische Dar­stel­lung des Welt­raum­tele­skops COSI, das die jüngste Geschichte der Stern­ent­stehung, von Stern­explo­sionen und der Bildung chemischer Elemente in der Milch­straße unter­suchen soll. (Bild: J. Willis, NGC / ESO)

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. 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 und des Exzellenz­clusters PRISMA+ der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz und wird durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt gefördert. Besonders interessant an der Mission ist die neue Thematik der Mega­elektronen­volt-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 1990er Jahren und das europäische Teleskop Integral in den letzten zwanzig 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.

„Die COSI Mission hat vielfältige Anknüpfungs­punkte zum Forschungs­programm von PRISMA+“, erläutert Uwe Oberlack von der Uni Mainz. „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, den 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.“

„Mit COSI können wir die Jets von Mikro­quasaren untersuchen, also Doppelsterne mit einem Neutronen­stern oder einem schwarzen Loch“, sagt Thomas Siegert von der Uni Würzburg. „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 Teilnehmern mit großer Spannung erwartet.

JGU Mainz / RK

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