MPG Jahrbuchbeiträge des MPE

Supernova-Überreste sind die Überbleibsel nach der Explosion eines Sterns. Ein erheblicher Teil ihrer Strahlung ist im Radio- und Röntgenbereich nachweisbar. Hier präsentieren wir die Analyse von Vela Jr., basierend auf den Daten des All-Sky-Survey von eROSITA. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Spektrum von Vela Jr. keine markanten Merkmale aufweist. Zudem präsentieren wir eine neue Messung des geometrischen Zentrums und erforschen den nordwestlichen Rand des Überrests als einen möglichen Ort für die Beschleunigung kosmischer Strahlen – ein Prozess, der bisher noch nicht vollständig verstanden ist.

Die Entdeckung des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße wurde 2020 mit dem Nobelpreis geehrt. Doch unsere Forschung geht inzwischen viel weiter: Wir fragen uns nicht mehr, ob das Schwarze Loch existiert, wir verwenden es vielmehr, um physikalische Experimente am Himmel durchzuführen. Es stellt ein perfektes Labor dafür dar, und befindet sich mit einem Abstand von nur 26000 Lichtjahren kosmologisch gesehen in unserer Nachbarschaft. Das erlaubt atemberaubende Präzisionsmessungen, die nicht nur Tests der Einsteinschen Relativitätstheorie erlauben, sondern die uns sogar verraten: Viel mehr außer dem Schwarzen Loch kann sich im Milchstraßenzentrum nicht verstecken.

Zum ersten Mal haben wir ein "Förderband" am Rand einer Sternentstehungswolke beobachtet, das Materie bei einem jungen Sternpaar ablagert. Die Gasbewegungen in diesem Streamer unterliegen hauptsächlich der Schwerkraft aus dem innersten Teil des Kerns der Wolke. Der Streamer beliefert die Protosterne mit einer großen Menge an chemischen Verbindungen, die kurz zuvor in der Mutterwolke produziert wurden. Diese Ergebnisse zeigen eindrucksvoll, dass die großräumige Umgebung von Protosternen einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung von Scheiben aus Gas und Staub hat, die den Stern umgeben.
 

Galaxien werden zum Zentrum hin heller. Dennoch zeigen einige besonders massereiche Galaxien  ein relatives Sterndefizit im Zentrum. In der Riesengalaxie Holm 15A haben wir gleichzeitig ein besonders lichtschwaches Zentrum entdeckt. und mit 40 Milliarden Sonnenmassen das größte bisher beobachtete Schwarze Loch gefunden. Diese Entdeckung bietet die Möglichkeit, die Masse von Schwarzen Löchern in Riesengalaxien aus dem Sterndefizit abzuschätzen. Vermutlich sogar bis in Entfernungen, in denen die direkte Messung der Masse eines Schwarzen Lochs im Moment nicht möglich ist.

Das Röntgenteleskop eROSITA ist der deutsche Beitrag zur gemeinsam mit Russland durchgeführten Satellitenmission Spektrum-Roentgen-Gamma (SRG). eROSITA wird vier Jahre lang den gesamten Himmel systematisch im Röntgenbereich mit beispielloser Empfindlichkeit kartieren. Das wissenschaftliche Hauptziel ist es, die großräumige Struktur des Universums und deren Wachstum über kosmische Zeiten zu vermessen, um die Geheimnisse der rätselhaften Dunklen Energie zu entschlüsseln. Erste Ergebnisse zeigen, dass wir unsere Missionsziele erreichen können.

Rund hundert Jahre nach Albert Einsteins Vollendung der Allgemeinen Relativitätstheorie hatten wir 2018 ein herausragendes Jahr für die Erforschung schwarzer Löcher. Mit dem unter Leitung des MPE gebauten Instruments GRAVITY konnten wir erstmalig die Gravitationsrotverschiebung im Schwerefeld eines massereichen schwarzen Lochs messen, die Kreisbahnen nahe dem Punkt ohne Wiederkehr verfolgen und die Masse von schwarzen Löchern bestimmen, die Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Mit seiner einzigartigen Bildschärfe und Empfindlichkeit wird GRAVITY die Astronomie revolutionieren.

Lange Zeit gab es im Verständnis der Entstehung von protostellaren Scheiben Probleme. In einer rotierenden, gravitativ kollabierenden Molekülwolke müsste eigentlich das Magnetfeld, das die Molekülwolke durchdringt, mit ins Zentrum gezogen werden und Drehimpuls vom Zentrum nach außen transportieren, sprich die entstehende Scheibe abbbremsen. Deswegen könnte sich eine rotationsgestützte Scheibe nur schwer bilden – es sei denn, winzige Staubkörner verschwinden aus der Wolke. Das würde die magnetische Bremse lockern.

Die vielfältigen Formen von Galaxien ergeben sich aus komplexen physikalischen Prozessen, die die Sternentstehung und das zeitliche Anwachsen der stellaren Massen steuern. Neue Nahinfrarot-Messungen ermöglichten es die Verteilung der Sterntypen und die chemischen Eigenschaften von fernen massereichen Galaxien zu untersuchen. Die gemessenen Absorptionsmerkmale in den Galaxienspektren erlaubten es ihre Entstehungszeiten einzuschränken, eine verbesserte Verteilung ihrer Sternmassen zu erzeugen und ihren dynamischen Zustand zu bestimmen, als das Universum weniger als 4 Milliarden Jahre alt war.

Die Milchstraße ist eine Balkenspiralgalaxie, deren zentraler Teil, der rotierende Bulge, sich großenteils aus der Galaktischen Scheibe gebildet haben muss. Mit neuen Infrarot-Daten war es erstmals möglich, den Balken und Bulge räumlich zu vermessen. Damit lassen sich die Bahnen der Sterne in der inneren Galaxis vorhersagen und mit ihren chemischen Eigenschaften verknüpfen. Mit dynamischen Modellen untersuchen wir die heutige Struktur und die Entwicklungsgeschichte unserer Galaxis.

Wie die Geburt eines sonnenähnlichen Sterns samt Planetensystem in unserer Milchstraße abläuft, trägt auch dazu bei, die Entstehung nicht nur unseres Sonnensystems besser zu verstehen sondern auch die von komplexen organischen Molekülen, wie sie in Kometen und Meteoriten gefunden wurden. Mit dynamischen Modellen, astrochemischen Simulationen und großen Teleskopen erforschen wir den physikalischen und chemischen Aufbau von dichten „Kernen” in interstellaren Wolken, versuchen Glycin, die einfachste Aminosäure, nachzuweisen und enthüllen die ersten Schritte hin zu protoplanetaren Scheiben.

Die Erforschung der Röntgenstrahlung aus dem Sonnensystem hat in den letzten beiden Jahrzehnten einen stürmischen Aufschwung erlebt. Während bis 1996 nur Sonne, Erde, Mond und Jupiter als Röntgenquellen bekannt waren, sind seitdem Merkur, Venus, Mars, Saturn, die Jupitermonde Io und Europa, der Io-Plasmatorus, die Saturnringe und zwei Asteroiden hinzugekommen, dazu die Kometen als unerwartete neue Klasse und sogar die Heliosphäre selbst. Der Beitrag zeigt die Abfolge dieser Entdeckungen, beschreibt die Röntgenemissionsprozesse und deren Bedeutung und endet mit einem Ausblick für die Zukunft.

Die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums hat das Gebiet der Kosmologie revolutioniert. Den Ursprung dieses Phänomens zu verstehen ist eines der bedeutendsten Probleme der heutigen Physik, zu dessen Erforschung eine neue Generation von Galaxiendurchmusterungen entwickelt wurde. Eine derzeit laufende Durchmusterung trägt den Namen Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). Sie untersucht die großskalige Struktur des Universums mit bisher unerreichter Präzision und wird neue Erkenntnisse über die fundamentale Physik hinter der kosmischen Beschleunigung liefern.

Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße ist für seine Größe erstaunlich dunkel, da es zur Zeit nur sehr wenig Material akkretiert. Das könnte sich ab 2013 ändern, da eine Gaswolke beinahe direkt auf das Schwarze Loch zufliegt. Sie wird ihm im Herbst 2013 so nahe sein, dass sie den Vorbeiflug nicht überleben wird. Neben den Gezeitenkräften wird auch die Atmosphäre um das Schwarze Loch auf die Gaswolke einwirken. Wenn diese Wechselwirkung das Gas genügend stark abbremst, kann es in das Schwarze Loch fallen. Eventuell können wir also zusehen, wie das Schwarze Loch „gefüttert“ wird.

eROSITA ist das Hauptinstrument auf der russischen Spektrum-Röntgen-Gamma-Mission. eROSITA soll ab 2013 den ganzen Röntgenhimmel durchmustern, um 100.000 entfernte Galaxienhaufen zu entdecken. Die großräumige Struktur unseres Universums soll damit untersucht und kosmologische Modelle der Dunklen Energie getestet werden. Zusätzlich wird die Entdeckung von 3 Millionen Aktiven Galaxien unser Bild von der Entwicklung supermassiver Schwarzer Löcher erweitern. eROSITA bringt auch neue astrophysikalische Erkenntnisse, z.B. über Röntgendoppelsterne und die diffuse galaktische Emission.

Seit 10 Jahren führt das MPE erfolgreich Forschung zu komplexen Plasmen auf der Internationalen Raumstation ISS durch. Wissenschaftlich ermöglicht sie neue Einblicke in viele Zweige der Physik. Mehr als 60 Publikationen in referierten Journalen sind dabei erschienen, ein Teil soll hier vorgestellt werden. Diese Forschung hat nicht nur eine beeindruckende Historie, sondern auch eine vielversprechende Zukunft: Das nächste Labor PK-4 soll 2014 gestartet werden und auch für die fernere Zukunft ist vorgesorgt, sodass vermutlich diese Forschung die ganze Lebensspanne der ISS abdecken kann.

Das neue Weltraumteleskop Herschel der europäischen Weltraumagentur ESA mit dem unter Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik entwickelten Instrument PACS an Bord erlaubt photometrische und spektroskopische Beobachtungen im fernen Infrarot. Damit konnte gezeigt werden, dass die rasante Entstehung von Sternen in Galaxien im frühen Universum qualitativ anders verlief als in der jüngeren Vergangenheit. Darüber hinaus konnte erstmals quantitativ nachgewiesen werden, wie riesige schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien die Entstehung neuer Sterne unterbinden könnten.

Die mittlere Ionenladung solarer energetischer Teilchen lässt einen Schluss auf die Quelle der Ionen und auf die Beschleunigungsregion zu. In graduellen Ereignissen wird für Eisen-Ionen bei Energien < 0,5 MeV/Nukleon eine mittlere Ladung von Q_m ≈ 10 beobachtet, was auf den solaren Wind als Quelle der Teilchen und auf die Beschleunigung durch koronale oder interplanetare Stoßwellen schließen lässt. In impulsiven Ereignissen steigt Q_m(Fe) im Energiebereich 0,1–0,5 MeV/Nukleon stark an, was nur durch Beschleunigung und Ionisation in einem Plasma hoher Dichte in Höhen von < 0,3×Sonnenradius erklärbar ist.

Die Entstehung und Entwicklung von super-massereichen Schwarzen Löchern ist Gegenstand aktueller Forschung am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE), die insbesondere durch Instrumente mit hoher Ortsauflösung in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt hat. Der am MPE gebaute Feldspektrograph SINFONI, jetzt am Very Large Telescope in Chile in Betrieb, ist derzeit das beste Instrument, um inaktive Schwarze Löcher in Galaxienzentren aufzuspüren. SINFONI Beobachtungen von bisher unzureichend studierten Galaxientypen ergaben wichtige Folgerungen über die gemeinsame Entwicklung von Schwarzen Löchern und ihren Wirtsgalaxien.

Elliptische Galaxien sind von ausgedehnten, diffusen stellaren Halos umgeben. In dichten Galaxienhaufen kommen diese Halos einander nahe und können von den Galaxien abgelöst werden, um Teil des so genannten Intra-Haufen-Lichts zu werden. Mithilfe von Planetarischen Nebelsternen konnte die Kinematik und Dynamik einiger dieser Halos untersucht werden, wodurch sich neue Aspekte für die Bildung und fortschreitende Entwicklung dieser Galaxien ergeben.

Mit dem neuen 7-Kanal Imager GROND (Gamma-Ray Burst Optical Near-IR Detector) ist der bislang am weitesten entfernte Gamma-Ray Burst (GRB) entdeckt worden, und damit die Existenz massereicher Sterne zu Zeiten, als das Universum erst 800 Millionen Jahre alt war. Außerdem liefert GROND einmalige Daten zur Kurzzeit-Variabilität der GRB Afterglows und hat damit ein mehrjähriges Rätsel zur Natur der so genannten Röntgen-Flares gelöst.

Die Bildung der großräumigen Struktur im Universum wird im Wesentlichen durch die Dunkle Materie bestimmt, die den Hauptteil der Materiedichte ausmacht. Die sichtbare Materie bietet somit ein indirektes Abbild der kosmischen Materieverteilung. Im Himmelsdurchmusterungsprojekt COSMOS [1] ist es gelungen, das bisher detailreichste, direkte Abbild der Dunklen Materie auf einer 1,6 Quadratgrad großen Himmelsfläche zu erstellen. Damit wird erstmals das Gerüst der Materieverteilung im Detail sichtbar, sowohl in der Winkelauflösung am Himmel als auch dreidimensional in der Tiefe. Es besteht aus einem lockeren Netzwerk von Filamenten, die sich in massereichen Strukturen, identifizierbar mit Galaxienhaufen, schneiden. Dieses Ergebnis ist in guter Übereinstimmung mit Simulationen der Struktur-Bildung in kosmologischen Standardmodellen.

Plasmen gelten als der ungeordnete Zustand der Materie. 1994 änderte sich das Bild – Wissenschaftler des MPE machten eine verblüffende Entdeckung: Plasmen können unter speziellen Bedingungen einen flüssigen Zustand annehmen & sogar spontan kristallisieren. Diese so genannten „Komplexen Plasmen“ haben ungewöhnliche Eigenschaften. Sie ordnen sich in die Klasse der so genannten „weichen“ Materie ein und ermöglichen erstmals die Erforschung kondensierter Materiezustände auf dem elementarsten (Partikel) Niveau auf allen relevanten Längen- und Zeitskalen - bis an die Grenzen kooperativen Verhaltens.

Mithilfe des neuartigen feldabbildenden Nahinfrarot-Spektrometers SINFONI und adaptiver Optik hat unsere „SINS“-Studie große rotierende und schnell entstandene Scheibengalaxien drei Milliarden Jahre nach dem Urknall entdeckt. Sie bietet eine neue Perspektive auf die Galaxienentstehung im jungen Universum.

Beobachtungen von nahen Neutronensternen mit dem Röntgenobservatorium XMM-Newton erbrachten eine überraschende Entdeckung: es wurden Schwankungen im Röntgenspektrum von RX J0720.4-3125 im Laufe weniger Jahre festgestellt. Man schließt daraus, dass der Neutronenstern möglicherweise präzediert. Die Untersuchung der Präzession bietet eine interessante Möglichkeit mehr über die innere Struktur von Neutronensternen zu lernen.

Mit dem Hubble Space Telescope konnte gezeigt werden, dass die Andromeda Galaxie ein massereiches Schwarzes Loch von 140 Millionen Sonnenmassen beherbergt. Die neuen Daten schliessen astrophysikalische Alternativen zu einem Schwarzen Loch aus. Das Schwarze Loch ist von einer kleinen Scheibe junger Sterne umgeben, deren Ursprung ungeklärt ist.

Die Missionen Cluster und Double Star ermöglichen erstmals koordinierte Messungen in der Magnetosphäre der Erde mit bis zu 6 Satelliten. Cluster liefert dabei Daten von 4 in einer Tetraeder-Formation fliegenden Satelliten für Abstände von ~100 bis ~20000 km. Diese werden durch die beiden Double Star-Satelliten in polarer und äquatorialer Umlaufbahn ergänzt.

Mit dem Gammastrahlen-Observatorium INTEGRAL sind neue Einblicke möglich geworden in die Welt kosmischer Quellen sehr energiereicher Strahlung. Bisher unbekannte Quellen wurden entdeckt, da nur energiereiche Gammastrahlungs-Anteile die sie umgebenden interstellaren Wolken durchdringt. Unerwartete Hochenergie-Emission wurde bei kompakten Sternen mit extrem hohen Magnetfeldern erkannt, in dem Bereich, in dem das thermische Emissionsspektrum normalerweise selbst für höchste Temperaturen leuchtschwach wird. Damit wird der relative Anteil wahrhaft diffuser Hochenergie-Emission aus dem interstellaren Raum im Vergleich zu einzelnen Quellobjekten neu definiert. Diese diffuse Emission spiegelt die kosmische Strahlung wider, auf ihrem Weg durch den interstellaren Raum der Galaxie. Hochauflösende Spektroskopie der diffusen Strahlung zeigt zudem zwei spezielle Spektrallinien: Antimaterie zerstrahlt in Licht bei 511 keV Energie, und ist überraschend symmetrisch im Innenbereich der Milchstraße konzentriert; das radioaktive Isotop ²⁶Al zerfällt galaxienweit im interstellaren Medium unter Aussendung einer Linie bei 1809 keV; als Nebenprodukt kosmischer Element-Synthese in der Endphase der Entwicklung sehr massereicher Sterne wurde es in den interstellaren Raum geschleudert, und zeigt uns nun dessen kinematischen Zustand in Bereichen, die mit anderen Mitteln nur schwer messbar sind.

Osteoporose ist die häufigste Erkrankung des Skelettsystems. Sie ist definiert durch die Reduktion der Knochenmasse und die Veränderung der Mikroarchitektur des Knochens, welche zu einem erhöhten Frakturrisiko führen. Die Messung der Knochendichte ist eine etablierte Methode in der Osteoporosediagnostik. Da das Frakturrisiko jedoch nicht allein von der Knochendichte bestimmt wird, ist diese für die Abschätzung des Frakturrisikos nur beschränkt geeignet. Heutzutage ist es mit bildgebenden Verfahren möglich, die Mikroarchitektur des (trabekulären) Knochens darzustellen. Vergleicht man die Morphologie der Mikroarchitektur des Knochens mit der großräumigen Verteilung der Galaxien im Universum, so kann man gewisse Ähnlichkeiten feststellen. In beiden Fällen hat man es mit Filamenten und Wänden zu tun, die weitgehend leere Gebiete umschließen. In einem interdisziplinären Forschungsprojekt des MPEs mit dem Institut für Röntgendiagnostik der TU München werden im Rahmen eines sog. TANDEM-Projektes, Verfahren zur quantitativen Beschreibung komplexer Strukturen aus der Astrophysik auf die Analyse von dreidimensionalen Bildern von trabekulären Knochenstrukturen angewendet, um eine verbesserte Diagnostik der Osteoporose zu erzielen. Die bisher durchgeführten Studien zeigen, dass die neu entwickelten Strukturmaße sehr gut geeignet sind, um die mechanische Festigkeit von Knochen in humanen Präparaten sowie das Frakturrisiko in Patienten vorherzusagen.

INTEGRAL ist eine astronomische Weltraum-Mission der ESA zur Untersuchung des Himmels im harten Röntgen- und weichen Gammastrahlen-Bereich. Die beiden Hauptteleskope SPI und IBIS arbeiten im Spektralbereich zwischen 20 keV und 10 MeV. SPI ist ein hochauflösendes Spektrometer und IBIS ein Teleskop mit hoher Bildauflösung. Das Beobachtungsprogramm von INTEGRAL begann Ende Dezember 2002 und war hauptsächlich auf die Scheibe (und hier insbesondere die Zentralregion) der Milchstraße ausgerichtet. Höhepunkte aus den ersten 15 Monaten der Mission sind Ergebnisse über Gammalinien von kosmischen Nukleosyntheseprozessen und solaren Flares, über eine Durchmusterung des Himmels nach harten Röntgenquellen, über den Ursprung des "diffusen" galaktischen Hintergrundes und über Gammastrahlen Bursts.

Mit Röntgenobservatorien wurde ein enorm energiereicher Strahlungsausbruch aus dem Kern einer Galaxie entdeckt, gedeutet als das Zerreissen eines Sterns durch ein sehr massereiches Schwarzes Loch im Kern der Galaxie. Dieser Prozess wurde bereits lange von der Theorie vorhergesagt, und sein Nachweis ist für verschiedene Bereiche der Astrophysik von grossem Interesse.

Der Fortschritt in der Kinetik komplexer (staubiger) Plasmen wird aufgezeigt: Es wird ein Phasendiagramm komplexer Plasmen präsentiert, wobei die Klassifikation der verschiedenen Zustände auf der Impuls-Übertragungsrate von (Staub-Staub) Zweier-Stößen basiert. Die Rolle des Impulsübertrags auf das Hintergrundmedium (Neutralgas) wird analysiert, und die Bedingungen, wann das Komplexe Plasma als einphasige Flüssigkeit beschrieben werden kann, abgeleitet. Ferner wird die Kinetik von Staub mit variabler elektrischer Ladung untersucht, und gezeigt, dass Komplexe Plasmen von Natur aus Modellsysteme sind, in denen die Kinetik nicht-hamiltonischer Ensembles untersucht werden kann. Schließlich wird die Bedeutung Komplexer Plasmen für interdisziplinäre Forschungen diskutiert.