Faszination Universum
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Woraus das Universum besteht, fragen sich Menschen seit Jahrtausenden. Stück für Stück erarbeiten sich Forschende neues Wissen, um die Teilchen, die aus dem Universum auf die Erde kommen, zu untersuchen. Vor allem Methoden der Künstlichen Intelligenz versprechen neue Erkenntnisse. Der Physiker Dr. Dominik Elsässer begibt sich auf eine Zeitreise und wirft einen Blick in die Zukunft.
vor 3600 Jahren – Fundamentale Menschheitsfragen
„Die Faszination dafür, was das Universum ist und was dort geschieht, begleitet die Menschheit seit tausenden von Jahren. Wir gucken in den Himmel und fragen uns, was uns da eigentlich umgibt“, sagt Dr. Dominik Elsässer. Wir starten unsere Zeitreise vor mehr als 3600 Jahren: Die „Himmelsscheibe von Nebra“, gefertigt aus Bronze und mit Goldauflagen versehen, zeigt die weltweit älteste konkrete Darstellung astronomischer Phänomene, die wir kennen. Sie ist heute im Landesmuseum für Vorgeschichte in Halle an der Saale zu sehen. Noch im 19. Jahrhundert war das sichtbare Licht die einzige Information, die die Menschen nutzen konnten, um Himmelsobjekte zu studieren: Sonne, Mond, die Planeten des Sonnensystems und die Sterne der Milchstraße.
vor 480 Jahren – Heliozentrisches Weltbild
Ob Nikolaus Kopernikus, Galileo Galilei oder Johannes Kepler – die frühen Astronomen konzentrierten sich darauf, die Positionen von Sternen und Planeten zu beobachten und niederzuschreiben. In der frühen Neuzeit verändert sich die Welt der Astronomie für immer: Obwohl bereits die antiken Griechen wussten, dass sich die Erde um die Sonne dreht, gilt Kopernikus seit 1543 als Begründer des heliozentrischen Weltbilds. Es sollten aber noch Jahrzehnte vergehen, bis auch Galilei und Kepler mithilfe ihrer Fernrohre und Aufzeichnungen zu der damals sehr brisanten Materie forschten.
vor 100 Jahren – Kosmische Strahlung und dunkle Materie
Erst im Laufe des letzten Jahrhunderts lernten Wissenschaftler*innen, nicht nur das sichtbare Licht, sondern auch alle übrigen Wellenlängenbereiche des elektromagnetischen Spektrums zu untersuchen: Zum Beispiel mit Radiowellen, Infrarot-, Röntgen- und Gammastrahlung beobachten sie seither das Universum. „In diesen Wellenlängenbereichen sieht das Universum dramatisch anders aus“, sagt Elsässer. „Es tauchen auf einmal ganz andere Objekte auf und Astroteilchenphysiker*innen versuchen seither herauszufinden, um was es sich dabei genau handelt.“
Seit Anfang des 20. Jahrhunderts ist zum Beispiel bekannt, dass ein ständiger Regen von energiereichen Teilchen aus dem Universum auf die Erde prasselt – die sogenannte kosmische Strahlung. „Sie beinhaltet Teilchen, die energiereicher sind als alles, was wir mit den weltweit besten Teilchenbeschleunigern erzeugen können“, erklärt Elsässer. Seit knapp 90 Jahren ist außerdem bekannt, dass ein Großteil der Materie im Universum nicht Materie ist, wie wir sie auf der Erde kennen. „Aus Berechnungen leitet sich ab, dass rund 80 Prozent aller Materie des Universums aus etwas ganz Anderem bestehen muss“, sagt Elsässer. Diese unbekannte – auch „dunkle“ – Materie wechselwirkt nicht – oder zumindest fast nicht – mit dem Licht. Sie kann weder durch Abschattung noch durch von ihr abgegebenes Licht direkt gesehen und untersucht werden. Woraus sie besteht, ist eines der größten Rätsel unserer Zeit. Und auch, wo die kosmische Strahlung herkommt und woraus sie genau besteht, ist bis heute nicht abschließend geklärt. Nach Antworten suchen Physiker*innen mit Hilfe von Experimenten.
vor 20 Jahren – MAGIC-Teleskope
Seit 2003 blickt eine internationale Kollaboration, an der Physiker*innen der TU Dortmund maßgeblich beteiligt sind, mit mittlerweile zwei Teleskopen in den Himmel. Die beiden MAGIC-Teleskope – die Abkürzung steht für „Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope“ – stehen auf der Kanareninsel La Palma und zählen bis heute zu den empfindlichsten Tscherenkow-Teleskopen der Welt. Mit ihrer Hilfe sind Astrophysiker*innen aus elf Ländern seit rund 20 Jahren auf der Suche nach Tscherenkow-Lichtblitzen.
Tscherenkow-Licht kennt man zum Beispiel von Bildern aus Abklingbecken von Kernreaktoren als bläuliches Glühen unter Wasser. Aber auch am Himmel taucht Tscherenkow-Licht auf: immer dann, wenn Gammastrahlung, also die energiereichste Strahlung im elektromagnetischen Spektrum, aus dem Universum auf die Erdatmosphäre trifft. Die Gammastrahlung hinterlässt beim Eintritt in die Erdatmosphäre eine Lawine aus sehr schnellen Teilchen, die wiederum die kurzen bläulichen Lichtblitze verursachen. „Durch diese kurzen Lichtblitze aus der Hochatmosphäre der Erde schließen wir zurück auf die einfallende Gammastrahlung. Und diese gibt uns wiederum Hinweise auf Vorgänge im Universum“, erklärt Elsässer.
2014 – Am Puls der Forschung
Mit 34 Jahren ist der Physiker Dominik Elsässer zum ersten Mal vor Ort auf La Palma, wo ein meist klarer Himmel und geringe Lichtverschmutzung optimale Beobachtungsbedingungen bieten. Heute ist Elsässer als stellvertretender Sprecher der MAGIC-Kollaboration mitverantwortlich für die beiden Teleskope, die sich auf 2.200 Metern über dem Meeresspiegel befinden. Sie haben eine beeindruckende Gesamtspiegelfläche von je 17 Metern Durchmesser. Der Beobachtungsbetrieb ist dabei eine Teamaufgabe: bis zu vier Wochen lang beobachten junge „Operators“ zusammen mit bereits erfahreneren „Shift Leaders“ jede Nacht den beeindruckenden Sternenhimmel über La Palma. Die Nachwuchswissenschaftler*innen aus der ganzen Welt überwachen und bedienen die komplexen Systeme, reagieren auf eingehende Alarme, und arbeiten den Beobachtungsplan ab. „Die Schichtteams kommen bis heute aus ganz unterschiedlichen Ländern. Sie arbeiten und leben zusammen, sind direkt am Puls der Forschung und profitieren in einer oft recht frühen Karrierephase enorm vom unmittelbaren internationalen Austausch“, schwärmt Elsässer. Regelmäßig absolvieren auch Physikstudierende der TU Dortmund hier ihre Schichten. Sie alle suchen während ihrer Einsätze die sprichwörtliche Nadel im Heuhaufen: Denn das Universum produziert völlig unvorhergesehen extreme Ausbrüche von Gammastrahlung. Die wenigen Tscherenkow-Teleskope auf der ganzen Welt sind miteinander vernetzt und melden, sobald ein solcher Ausbruch entdeckt wurde, sodass alle die Chance haben, mitzubeobachten.
Extreme im Blick
Katastrophale Sternenexplosionen, schwarze Löcher und dunkle Materie – das sind die Phänomene, denen Forscher*innen mithilfe der MAGIC-Teleskope auf der Spur sind: Was können diese Extreme im Universum über die Grenzen des physikalischen Verständnisses verraten?
„Schwarze Löcher sind Orte, an denen die Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal das Licht entkommt“, erklärt Elsässer. „Wie genau es im schwarzen Loch selbst aussieht, wissen wir nicht.“ Die direkte Umgebung schwarzer Löcher jedoch zeichnet sich durch besonders intensive Gammastrahlenemissionen aus. Hier werden Teilchen zu sehr hohen Energien beschleunigt. Eine der Hauptforschungsfragen Elsässers gilt daher den Prozessen rund um die schwarzen Löcher: „Was genau geschieht da und wie kann man mit Hilfe der Gammastrahlung ganz nah rankommen an dieses schwarze Loch, ihm sozusagen auf die Haut fühlen?“
Zwerggalaxien sind kleine lichtschwache Galaxien, die unsere Milchstraße begleiten. Manche von ihnen enthalten mutmaßlich besonders viel dunkle Materie. Deswegen versprechen sich die Teams von Dr. Dominik Elsässer und auch seinem Kollegen Prof. Hendrik Hildebrandt von der Ruhr-Universität Bochum, dass sie mit ihrer Hilfe mehr über die dunkle Materie erfahren können. Hildebrandts Gruppe ist auf optische Astronomie spezialisiert: Sie sucht und findet Zwerggalaxien, die dann mit Gammastrahlenteleskopen beobachtet werden können. Elsässer: „Bisher haben wir die dunkle Materie nicht gefunden, aber wir verschieben die Grenzen der Erkenntnis Stück für Stück nach vorne.“
Wenn besonders massereiche Sterne explodieren, hinterlassen sie eine extrem kompakte Leiche: etwa eine Kugel so groß wie das Ruhrgebiet aus einem Material, das so dicht ist wie Atomkerne. „Wenn man einen Zuckerwürfel aus Neutronenstern-Material in die Hand nehmen würde, wäre dieser 100 Millionen Tonnen schwer“, sagt Elsässer. Diese Überreste rotieren um sich selbst, und manche von ihnen verraten sich durch regelmäßige Blitze im Gammastrahlenbereich. Das Team um Elsässer entwickelt daher neue Analyseverfahren, um diese rotierenden Neutronensterne, sogenannte Pulsare, auch mit Hilfe von Gammastrahlen-Teleskopen zu beobachten.
2021 – Heftige Explosion
Am 11. August 2021 ist es endlich soweit: Die MAGIC-Kollaboration beobachtet mit ihren Teleskopen sehr energiereiche Gammastrahlen von einer wiederkehrenden Nova in der Milchstraße – ein seltenes Ereignis, das auf eine Sternleiche zurückgeht: Wenn ein Stern stirbt, dehnt er sich zunächst zu einem Roten Riesenstern aus und kollabiert dann zu einer Sternleiche, einem Weißen Zwerg. Dieser besteht aus einem sehr dichten Material: Ein Teelöffel davon würde etwa eine Tonne wiegen. Diese Sternleichen können dann noch einmal gigantische Explosionen hervorrufen: Wenn der Weiße Zwerg einen Begleiter hat, der seinerseits in die Phase des Roten Riesen übergeht, kann der Wasserstoff aus den ausgedehnten äußeren Schichten des Riesen der enormen Anziehungskraft des dichten Zwergs erliegen und sich auf dessen Oberfläche ansammeln.
Der „tote“ Stern entzieht dem aktiven Stern also Gas und wird deshalb auch „Vampirstern“ genannt. Vereinzelt kann es in solchen Systemen sogar zu Kernexplosionen auf der Oberfläche kommen, die einen Großteil des Wasserstoffs und der Fusionsprodukte ins All schleudern. Da die Explosion extrem hell ist, wird der Vorgang auch „stella nova“ (neuer Stern, kurz „Nova“) genannt. In manchen Fällen wiederholt sich der Gastransfer und damit auch der Nova-Ausbruch. Das wird als wiederkehrende Nova bezeichnet und ist genau das, was die Kollaboration im Sommer 2021 am Objekt RS Ophiuchi in unserer Milchstraße beobachtet.
2022 – Datenflut
Am 14. April 2022 veröffentlicht das MAGIC-Konsortium seine Erkenntnisse zur Explosion des Vampirsterns in der Fachzeitschrift Nature Astronomy. Zwischen der Aufzeichnung der Explosion durch die Teleskope und der Veröffentlichung des Artikels steht die anspruchsvolle Datenauswertung. Weil die Tscherenkow-Blitze, die die Teleskope aufzeichnen, so kurz sind, müssen die Teleskope sozusagen eine Milliarde Frames pro Sekunde schießen. „Das erklärt auch die hohe Datenrate, die unsere Teleskope produzieren und die wir anschließend auswerten müssen. Wir sprechen hier von einem Terabyte pro Nacht“, erläutert Elsässer. Seit Langem entwickeln die Dortmunder Physiker*innen geeignete Analyseverfahren für diese riesigen Datenmengen, unter anderem von 2011 bis 2022 im Sonderforschungsbereich (SFB) 876 „Verfügbarkeit von Information durch Analyse unter Ressourcenbeschränkung“ in enger Kooperation mit Informatiker*innen. Vermehrt kommen auch Methoden der Künstlichen Intelligenz und des Maschinellen Lernens zum Einsatz.
Doch nicht nur die Datenauswertung, auch der gesamte Messprozess ist enorm komplex: „Wir müssen aus einem ultrakurzen Lichtsignal, das in der Kamera landet, auf die Eigenschaft des Luftschauers dieser Teilchenlawine schließen. Und die Teilchenlawine soll uns wiederum Aufschluss über die Gammastrahlung geben, deren Ursprung uns interessiert“, sagt Elsässer. Die Daten der Explosion vom 11. August 2021 deuten darauf hin, dass der Großteil der hochenergetischen kosmischen Strahlung, die die Milchstraße durchdringt, zwar wahrscheinlich aus anderen Quellen stammt, dass aber Novae überraschend effizient lokale Regionen mit einer Überdichte an kosmischer Strahlung in ihrer Nachbarschaft erzeugen.
ab 2026 – Plasma Mining
Auch wenn es viele extreme Orte im Universum gibt, findet sich dort auch „normale“ Materie, wie wir sie hier auf der Erde kennen. Diese liegt jedoch sehr oft nicht als Gas oder gar Flüssigkeit vor – sondern als Plasma. „Das bedeutet, dass die Elektronen von den Atomkernen getrennt sind“, so Elsässer. Wie Plasma und energiereiches Teilcheninventar im Universum wechselwirken, ist eine Forschungsfrage, die bislang noch nicht umfassend untersucht wird, von der sich Forschende aber neue Erkenntnisse versprechen: „Das interdisziplinäre Zusammenspiel aus Teilchenphysik, Astrophysik, Plasmaphysik und Datenwissenschaften könnte der entscheidende Baustein sein, der uns zum Durchbruch noch fehlt“, meint Elsässer. Genau diese Zusammenarbeit haben sich Forscher*innen aus Dortmund, Bochum und Bonn für die Zukunft vorgenommen. Seit 2022 arbeiten Forschende der TU Dortmund, der Ruhr-Uni Bochum und der Universität Wuppertal bereits im SFB 1491 erfolgreich zum Verständnis der Vorgänge bei der kosmischen Wechselwirkung von verschiedenen Materieformen zusammen. Die TU Dortmund bringt unter anderem aus der jahrelangen Forschung im SFB 876 Expertise zu intelligenter Analysesoftware ein.
„Wir möchten herausfinden, wie genau die kosmischen Objekte Teilchen auf so extreme Energien beschleunigen“, fasst Elsässer zusammen. „Jeder Tag ist spannend, denn jederzeit könnte uns zum Beispiel das Licht einer Supernova, einer Sternexplosion in unserer eigenen Milchstraße, erreichen. Das ist ein Spektakel, das die Menschheit zuletzt vor vier Jahrhunderten beobachten konnte. Durch unsere interdisziplinären und internationalen Kooperationen wären wir heute sehr gut darauf vorbereitet.“
Text: Lena Reil
Zur Person:
Privatdozent Dr. Dominik Elsässer ist seit 2015 an der Fakultät Physik der TU Dortmund tätig. Er hat Physik an der Universität Würzburg studiert und dort im Jahr 2012 auch promoviert. Nach einer Lehrstuhlvertretung im Jahr 2015 an der Ruhr-Universität Bochum wechselte er an die TU Dortmund. Seine Habilitation im Fach Physik hat er hier im Jahr 2021 abgeschlossen. Seine Forschungsschwerpunkte sind Hochenergie-Astrophysik und Radioastronomie, kosmische Beschleuniger sowie die Suche nach der dunklen Materie.
Dies ist ein Beitrag aus der mundo, dem Forschungsmagazin der TU Dortmund.