Scharfer Blick ins All mit neuen Instrumenten

Das Jahr endete mit einem lang herbei gesehnten Weihnachts­geschenk für die Astronomen: Am 25. Dezember transportierte eine Ariane-5-Trägerrakete das neue James Webb Space Telescope (JWST) vom europäischen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana aus ins Weltall. Es vermag etwa fünf Mal mehr Licht zu sammeln als das Hubble Space Telescope und ist zudem im Infrarotbereich deutlich leistungsfähiger. Dieser Strahlungs­bereich bietet beispielsweise Einblicke in die Entstehung von Planeten und in die Urzeit des Universums. Im Gegensatz zu Hubble umkreist das JWST nach seinem Start nicht die Erde, sondern fliegt zu einem 1,5 Millionen Kilometer entfernten Ort auf der sonnen­abgewandten Seite unseres Planeten. An diesem Lagrange-Punkt ist das Teleskop nicht nur vor irdischen Störungen geschützt, sondern kann nahezu antriebslos gemeinsam mit der Erde um die Sonne kreisen.

Aber die Astronomen haben noch weitere Wünsche: Im November veröffentlichte die Astronomie-Community in den USA ihre Prioritäten und Ziele für die Jahre 2023 bis 2033 und darüber hinaus. Auf ihrem astronomischen Wunschzettel stehen unter anderem zwei erdgebundene Großteleskope: Das Thirty Meter Telescope auf Hawaii und das Giant Magellan Telescope für Nordchile. Beide Projekte sind zwar kleiner als das Extremely Large Telescope der Europäischen Südsternwarte ESO, das derzeit gebaut wird und mit seinem 39-Meter-Spiegel 2027 in Betrieb gehen soll. Mittlerweile gibt es aber den Vorschlag, TMT und GMT als US-ELT gemeinsam zu betreiben.

Die Teleskope der Zukunft benötigen auch neuartige Zusatzgeräte – wie etwa inter­fero­metrische Strahl­kombi­nierer für extrem scharfe Bilder beispiels­weise von aufge­lösten Stern­ober­flächen oder der Umgebung schwarzer Löcher, minia­tu­ri­sierte Spektro­graphen on-a-chip, hoch­präzise Frequenz­kämme für die Detektion von Exoplaneten und viele andere mehr. Aus diesen Anforderungen ist in den vergangenen Jahren das neue Arbeitsgebiet der Astrophotonik hervorgegangen: Es befasst sich mit photo­nischen Komponenten für die Astro­nomie, die ein integraler Bestand­teil der nächsten Generation von astro­no­mischen Instru­menten werden sollen. Auf eine Initiative von Forschern des Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam widmeten die Zeit­schriften „Journal of the Optical Society of America B“ und „Applied Optics“ diesem Arbeitsgebiet eine gemeinsame Sonder­ausgabe. Das Heft behandelt die wichtigsten Entwicklungen in der Astro­photonik und zeigt die wissen­schaftliche Reife dieses neuen Forschungs­gebiets.

Immer wichtiger wird dabei die Kombination von Beobachtungen in verschiedenen Spektralbereichen des elektromagnetischen Spektrums, sowie von Messungen kosmischer Teilchen und Gravitationswellen. Die EU hat deshalb ein Pilotprojekt zur Bündelung astronomischer Netzwerke gestartet, dass die Entwicklung des boomenden Bereichs der Multi­-Messenger-Astronomie fördern soll. Astronomen aus 15 europäischen Ländern, Australien und Südafrika sowie aus 37 Institutionen haben sich bereits dem Konsortium angeschlossen. Die Kombination der unterschiedlichen Informationen ermöglicht vollkommen neue Einsichten – die Astronomen erwarten in den kommenden Jahren spektakuläre und überraschende Entdeckungen, die ohne die Multi-Messenger-Astronomie nicht möglich wären.

Diesen guten Aussichten für die Astronomie und die Astrophysik steht allerdings eine immer größer werdende Gefahr gegenüber:  Die rasante Zunahme von Satelliten hat erhebliche Auswirkungen auf die Wahrnehmung des Sternenhimmels und die Erforschung des Universums. Ein Beispiel ist SpaceX, dessen Starlink-Konstellation aus bis zu 30.000 Satelliten bestehen soll. Mit einer gemeinsame Stellungnahme haben Astronomen, Amateurastronomen und Planetarien deshalb vor den Folgen derartiger Satelliten-Konstellationen gewarnt. Neben der optischen Astronomie würde auch die Beobach­tungen der Infrarot- und Radio­strahlung aus dem Weltall erheblich beein­trächtigt.

Sowohl beim James Webb Space Telescope als auch bei vielen andern künftigen Großgeräten spielt die Erforschung von Planeten bei anderen Sternen eine wichtige Rolle. Beobachtungen und Analysen haben 2021 auf diesem Gebiet weitere überraschende Ergebnisse geliefert. So zeigte sich, dass Riesenplaneten erstaunlich schnell wachsen: Jupiter-ähnliche Exoplaneten sind bereits nach wenigen Millionen Jahren ausgewachsen. Und der Nachweis eines Riesenplaneten auf einer engen Umlaufbahn um den massereichen Doppelstern b Centauri zeigt für die Astrophysiker überraschend, dass sie sich in solch extremen Sternumgebungen bilden können.

Interessante Einblicke in die Evolution von Planetensystemen liefert der Stern Trappist-1. Er ist etwa vierzig Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt und kleiner und kühler als unsere Sonne. Sieben etwa erdgroße Planeten umkreisen Trappist-1 – die größte Ansammlung solcher Planeten, die bislang außerhalb unseres Sonnensystems gefunden wurde. Bemerkens­werter­weise stehen die Umlauf­zeiten der Planeten in einem nahezu perfekten Verhältnis zueinander. Das könnte nach Ansicht eines Forscherteams ein Hinweis darauf sein, dass die Exoplaneten während ihrer Entstehung nicht von massiven Einschlägen betroffen waren.

Beeindruckende Ergebnisse lieferte auch das Satelliten-Observatorium Cheops, das seit zwei Jahren im All ist. Dazu zählen etwa die Charakte­ri­sierung glühend heißer Planeten­­atmosphären, in denen Eisen verdampft, die Entdeckung von Planeten­systemen, die ihren Stern in nahezu perfekter Harmonie umkreisen, oder die Messung der Struktur von eisigen Supererden. Das Cheops-Team hofft nun, dass die im kommenden Herbst auslaufende Betriebszeit bis 2025 verlängert wird.

Sterne und Planeten entstehen aus demselben kosmischen Gas und Staub. Die Annahme eines Zusammenhangs zwischen der Zusammen­setzung von Sternen und ihrer Planeten ist daher naheliegend. Eine internationale Studie liefert einen empirischen Beweis für diese Annahme – und widerspricht ihr teilweise zugleich: Die Zusammen­setzung von Gesteins­planeten ist tatsächlich eng mit jener ihres Wirtssterns verbunden. Allerdings ist die Beziehung nicht so simpel, wie angenommen. Denn bei einigen Planeten ist etwa die Eisenhäufigkeit sogar höher als im Stern. Das könnte auf große Einschläge zurückzuführen sein, bei denen ein Teil des äußeren, leichteren Materials abbricht, während der dichte Eisenkern zurückbleibt.

Ein weiterhin wichtiges Forschungsfeld der Astrophysik ist die Entstehung der Elemente. Beim Urknall sind lediglich Wasserstoff, Helium und ein wenig Lithium entstanden. Die meisten anderen Elemente haben sich durch Kernfusion in Sternen gebildet. Deshalb erforschen Astrophysiker die Vorgänge im Inneren von Sternen. Dafür nutzen sie eine Vielzahl an Spezial­geräten und -einrichtungen – von Teleskopen, mit denen sie Stern­spektren aufzeichnen, über Labore, in denen sie die Produktion von Elementen unter­suchen, bis hin zu Super­computern zur Model­lierung astro­physika­lischer Prozesse. Um den Zugang zu diesen speziali­sierten Forschungs­­anlagen zu erleichtern, wurde jetzt ein EU-Netzwerk für Forschungs­infrastrukturen in der nuklearen Astrophysik gegründet. Zu den vernetzten Infra­strukturen gehören nicht nur zahlreiche Teleskope, sondern auch Beschleuniger­labore, die eine Unter­suchung der Element­ent­stehung mittels geladener Teilchen, Neutronen oder photonen­­indu­zierter Reaktionen ermöglichen. Außerdem ermöglicht ein leistungs­fähiges Rechen­cluster die Unter­suchung der in einem massiven Stern statt­findenden Nukleo­synthese.

Schwere Elemente wie Gold oder Uran können allerdings nicht in Sternen entstehen – wo aber dann? Wie ein internationales Forscherteam zeigt, sind Akkretionsscheiben um schwarze Löcher heiße Kandidaten zur Erzeugung schwerer und schwerster Elemente. Die Studie liefert ein starkes Indiz dafür, dass Neutronenstern-Verschmelzungen, die Akkretions­scheiben mit genau diesen Massen erzeugen, der Ursprungsort eines großen Anteils der schweren Elemente sein könnten. Ob und wie häufig entsprechende Akkretions­scheiben in Kollapsar-Systemen vorkommen, ist allerdings derzeit noch unklar.

Mit Hilfe des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte haben Astronomen ein Rekord-Paar supermassereicher schwarzer Löcher entdeckt: Die beiden Objekte umkreisen sich in viel geringeren Abstand als jedes andere zuvor entdeckte Paar supermassereicher schwarzer Löcher.  Die Entdeckung deutet nach Ansicht der Wissenschaftler darauf hin, dass es viele weitere solcher Relikte von Galaxien­verschmelzungen gibt, die ähnliche enge Paare enthalten könnten.

Viele supermassereiche schwarze Löcher stoßen mit nahezu Licht­geschwin­dig­keit Plasma­strahlen aus.  Die Energie für diese relativistischen Jets stammt wahrschein­lich aus der Anziehungs­kraft des schwarzen Lochs, doch wie genau ein solcher Jet entsteht und was ihn über diese riesige Entfernung hin stabilisiert, ist bisher unklar. Klar ist: Der Jet wird aus dem Zentrum der Akkretions­­scheibe des schwarzen Lochs ausge­stoßen. Diese Region model­lierte sehr detail­reich ein internationales Forscherteam. Die Berechnungen beschreiben die Entstehung des Jets – und bestätigen einmal mehr die Allgemeine Relativitätstheorie. Demnach rotiert das super­­massereiche schwarze Loch sehr schnell und das Plasma im Jet ist stark magnetisiert, wodurch die Teilchen so stark beschleunigt werden, dass sie den Jet über Tausende von Licht­jahren stabil bilden können.

Welche Masse die supermassereichen schwarzen Löcher in fernen Galaxien besitzen, ist nicht immer leicht herauszufinden. Astronomen vom MPI für Astronomie haben erstmalig erfolgreich eine neue Methode angewendet, mit der sich schwarze Löcher in Quasaren wiegen lassen. Diese Spektroastrometrie basiert auf der Vermessung von Strahlung, die von Gas in der Umgebung der schwarzen Löcher stammt. Die Messung ermittelt gleichzeitig die Geschwindigkeit des strahlenden Gases und seinen Abstand vom Zentrum der Akkretions­­scheibe, von der Material in das schwarze Loch strömt.

Wenn schwarze Löcher oder Neutronensterne enge Paare bilden, verlieren sie durch die Abstrahlung von Gravitationswellen Energie. Dadurch nähern sie sich einander an und verschmelzen schließlich – unter Aussendung eines besonders intensiven Pulses von Gravitationswellen. Auch 2021 haben die großen Detektor­anlagen LIGO und Virgo wieder mehrere derartige Ereignisse registriert.

Eine andere Methode zum Nachweis von Gravitations­wellen sind Pulsar Timing Arrays: Netzwerke von sehr stabil rotierenden Pulsaren. Sie sind insbesondere empfindlich für sehr niederfrequente Gravitations­wellen im Nanohertz-Bereich. Mit Pulsar Timing Arrays können daher bereits die Gravitationswellen aufgespürt werden, die von den sich langsam annähernden schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien ausgesandt werden. Das „European Pulsar Timing Array“ hat jetzt nach 24 Jahren Beobachtung mit den fünf größten europäischen Radio­teleskopen ein mögliches Signal des Gravitationswellen-Hintergrunds im Nanohertz-Bereich nachgewiesen.

Eine fundamentale Größe der Kosmologie ist die Hubble-Konstante: Sie gibt an, wie schnell das Universum heute expandiert. Zwei unterschiedliche Messverfahren für diesen wichtigen Parameter ergeben jedoch voneinander abweichende Werte, die außerhalb der jeweiligen Fehlerrate liegen. Für diese Hubble-Diskrepanz fand sich auch 2021 keine Lösung. Liegt es vielleicht an der Inhomogenität des Kosmos? Ein Forscher-Trio aus Deutschland hat die kosmische Expansion mit Methoden aus der Physik von Vielteilchensystemen untersucht. Das Modell macht zwar konkrete Vorhersagen für die Auswirkung der Inhomogenitäten auf die Expansion. Diese weicht leicht von der Vorhersage des Lambda-CDM-Modells ab und bietet daher eine Möglichkeit, das neue Modell experimentell zu testen. Eine Erklärung für die Hubble-Diskrepanz bietet sie jedoch nicht.

Computersimulationen haben überraschend gezeigt, dass sich bereits innerhalb einer Billionstel­sekunde nach dem Urknall ein komplexes Netz an Strukturen bilden konnte. Obwohl die berechneten Strukturen sehr kurzlebig wären, könnten sie möglicherweise beobachtbare Spuren hinterlassen.  So könnten einige dieser Strukturen zu winzigen schwarzen Löcher kollabieren und einen Beitrag zur mysteriösen dunklen Materie leisten.

Eine Überraschung liefert auch die Kartierung der Bewegungen von Galaxien in kosmischen Filamenten, die das gesamte Universum durchziehen und Galaxienhaufen miteinander verbinden. Wie die Beobachtungen zeigen, drehen sich diese langen Ströme aus Galaxien auf Skalen von Hunderten von Millionen Licht­jahren. Eine Rotation in dieser Größenordnung wurde bisher noch nie beobachtet.  Die Galaxien bewegen sich auf helix- oder korkenzieherartigen Bahnen, rotieren um die Achse des Filaments, während sie sich in ihm in Längs­richtung bewegen. Wie der für die Rotation verant­wortliche Drehimpuls entsteht, ist jetzt ein weiteres ungelöstes Problem der Kosmologie.

Rainer Kayser

Weitere Infos

• R. Kayser: Raumsonden erforschen das Sonnensystem und seine Entstehung – Jahresrückblick Sonnensystemforschung und Geophysik 2020, pro-physik.de, 05. Januar 2021
• R. Kayser: Schwarze Löcher im Fokus und kosmologische Probleme am Horizont – Jahresrückblick Astrophysik, Astronomie und Kosmologie 2020, pro-physik.de, 29. Dezember 2020

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