Per asPera ad astra Jahr der astronomie 2009

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Per aspera ad astra
Jahr der Astronomie 2009
MUM 01 | 2009
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Vor 400 Jahren, im Jahr 1609, hat Galileo Galilei erstmals astronomische Beobachtungen mit
einem Teleskop durchgeführt. Im selben Jahr
erschien zudem das grundlegende Werk für das
physikalische Verständnis der Bewegung von
Himmelskörpern: die „Astronomia Nova“ von
­Johannes Kepler. Gründe genug für die ­UNESCO,
das Jahr 2009 zum internationalen Jahr der Astronomie auszurufen – nicht nur, um den beiden
Vorreitern der modernen Astronomie ein ehren­
des Denkmal zu setzen. Sondern auch, um der
Weltöffentlichkeit eine Wissenschaft nahe zu
bringen, die wie keine zweite Vergangenheit
und Zukunft des Universums miteinander zu
verbinden vermag, dessen Geheimnisse trotz
zeit- und arbeitsintensiver Forschung noch lange
nicht gelüftet sind. Einen wichtigen Beitrag, dies
zu tun, leisten auch die Forscher in München –
einem der bedeutendsten Standorte der Astrophysik weltweit.
Ein geradezu perfektes Timing wäre es gewesen,
wenn das neue Teleskop der LMU-Sternwarte auf
dem Wendelstein bereits im Jahr der Astronomie
hätte in Betrieb genommen werden können. „2009
wird immerhin die Kuppel fertiggestellt“, sagt
­Professor Ralf Bender, Astrophysiker und Direktor
der Sternwarte.
Das Teleskop folge frühestens 2010, „das wäre
dann aber ein absoluter Weltrekord für die Fertigstellung eines Teleskops“, meint Bender. Er ist bei
dieser Prognose eher skeptisch, herrschen doch
auf der Spitze des gut 1.800 Meter hohen Wen-
delsteins schwierige Wetterbedingungen. Und die
Helikopter, die einen Großteil der schweren Komponenten nach oben bringen, könnten bei schlechtem Wetter nun mal nicht fliegen.
Wenn es fertig ist, wird das neue Teleskop mit seinem Hauptspiegel von zwei Metern Durchmesser
einen ganz neuen Blick ins Universum gewähren
und die Forschungsbedingungen in der Sternwarte deutlich verbessern. „Wir werden mit dem
neuen Teleskop mehrere Ziele verfolgen. Zum einen wird es sehr nützlich sein, um Beobachtungen
an Großteleskopen vorzubereiten“, erklärt Bender.
Er meint damit Einrichtungen wie etwa die ParanalTeleskope – Hauptspiegeldurchmesser über acht
Meter – der Europäischen Südsternwarte (ESO) in
der chilenischen Atacama-Wüste. Oder die Mauna
Kea Keck-Teleskope auf Hawaii: Diese Großanlagen
seien von Forschern derart ausgebucht, dass man
seitenlange Anträge schreiben und zum Teil lange
Wartezeiten in Kauf nehmen muss, um dort auch
nur für die Dauer weniger Tage Beobachtungen
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1 Perfekt für die Vorbereitung von Beobachtungen an Großteleskopen und die
­Ausbildung von Studierenden: Die Sternwarte der LMU auf dem Wendelstein.
durchführen zu können. Ralf Bender: „Es ist fast leichter, von der
DFG ein kleineres Forschungsprojekt bewilligt zu bekommen, als in
Chile einige Tage Beobachtungszeit.“ Deswegen hält er das Wendelsteinteleskop für so wichtig: Neben der Möglichkeit, Beobachtungen
in Chile oder USA besser vorzubereiten, erlaubt das eigene Teleskop
die gründliche Ausbildung von Studierenden ohne großen Zeitdruck.
Eine weiterer sehr wichtiger Vorteil des neuen Zwei-Meter-Teleskops
ist die Möglichkeit der Durchführung von Projekten, die lange Zeitserien erfordern. Hierzu zählt beispielsweise die ­Suche nach Sternexplosionen, Planeten oder Mikro-Gravitationslinsen-­Ereignissen.
„Wichtige Entdeckungen des letzten Jahrzehnts wie etwa der erstmalige Nachweis von extrasolaren Planeten oder die ersten Hinweise
auf die sogenannte dunkle Energie sind mit Teleskopen von ein bis
zwei Meter Spiegeldurchmesser gemacht worden, also Geräten von
der Art, wie wir es jetzt auf dem Wendelstein errichten“, sagt Ralf
Bender.
Im Dunklen
Das Dunkle im Universum ist eines der Arbeitsgebiete Benders. So
befasst sich seine Forschergruppe unter anderem mit dem Nachweis
der dunklen Materie im Universum, die – wie der Name schon ver­
muten lässt – nicht mit elektromagnetischer Energie wechselwirkt
und somit auch nicht sichtbar ist. „Dass es dunkle Materie geben
könnte, wurde schon Anfang der 1930er-Jahre vermutet, relativ sicher
weiß man es aber erst seit rund 30 Jahren“, meint Bender. Besonders
elegant gelingt ihr Nachweis mit Hilfe des sogenannten Gravitationslinseneffekts. Dieser steht für die Ablenkung von Licht durch große
Massen, die 1915 von Albert Einstein in der Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben wurde. Die Sonne lenkt Licht ab, weil sie eine
Masse hat. Anhand des Grades der Ablenkung – im Fall der Sonne­
1,7 Bogensekunden von der geraden Lichtausbreitung (3.600 Bogensekunden entsprechen 1°) – kann man ihre Masse bestimmen.
„In Galaxienhaufen messen wir teilweise Ablenkungen im Bereich
von zehn bis 20 Bogensekunden. Wir kennen dabei die Massen der
in den Galaxien enthaltenen Sternen und Gasen. Wenn man sie aufsummiert, bleibt ein Fehlbetrag von einem Faktor zwischen fünf und
acht – das ist die dunkle Materie“, erläutert Bender.
Ist man sich über die dunkle Materie, die vermutlich hauptsächlich
aus im Labor noch nicht gesehenen Elementarteilchen besteht,
­relativ gut im Klaren, so ist die Dunkle Energie das vielleicht größte
Rätsel der modernen Physik. Sie war deswegen auch Thema eines
Kongresses der Leopoldina – der Deutschen Akademie der Wissenschaften –, den Ralf Bender organisiert hatte und der Anfang Oktober 2008 in München stattfand. Was die Teilnehmer des Kongresses
besonders umtreibt, ist die nachgewiesene beschleunigte Expansion des Universums. Theoretisch müsste das Gegenteil der Fall sein.
Ralf Bender: „Das Universum ist mit Materie angefüllt, normaler und
dunkler. Und die hat ja durch ihre Gravitation eine abbremsende
Wirkung.“ Es gab, so der Forscher, bei Entstehung des Universums
zwar eine Anfangsexpansionsgeschwindigkeit, die aber durch die
gegenseitige Anziehung der Materie mit der Zeit zunehmend abgebremst werden müsste. Beobachtet wird aber das Gegenteil. Seit
etwa acht Milliarden Jahren beschleunigt die Expansion des Universums. „Solche scheinbaren Widersprüche findet man in der Astrophysik durchaus öfter: Man macht Messungen, die ein vollkommen
anderes Ergebnis zeigen als das eigentlich erwartete. So war es bei
der Entdeckung der dunklen Materie. So ist es jetzt bei der dunklen
Energie“, erklärt Bender.
Zum Leidwesen der Forscher lassen sich die komplexen und vielschichtigen Prozesse, die im Universum ablaufen, nicht im Labor
simulieren. Es gibt verschiedene Theorien, etwa die eines dunklen
Teilchenfelds mit einem negativen Druck, der für das beschleunigte
Auseinanderdriften des Universums verantwortlich sein soll. Oder
die bei den Astrophysikern eher ungeliebte Kosmologische Konstante, die, wenn es sie gäbe, keinen anderen Zweck hätte, als das Universum auseinanderzutreiben. „Das sind aber eher unbefriedigende
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Lösungen, weil die Physiker vor allem immer danach streben, komplexe Phänomene auf einfache zurückzuführen. Wir wollen die
Welt aus möglichst wenigen Prinzipien heraus verstehen“, sagt Ralf
Bender. „Im Moment sieht es nicht so aus, als könnte man der dunklen Energie auf irgendeine Weise im Labor oder mit Beschleunigern
näher kommen. Bestenfalls könnte der LHC am CERN indirekte Hinweise auf eine neue Physik geben, die uns vielleicht auch bei der
Erklärung der dunklen Energie voranbringt. Vermutlich wird aber
die Untersuchung der dunklen Energie für viele Jahre die Domäne
der beobachtenden Astrophysik bleiben.“
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Auf der Suche nach den Masse-Machern
Rund 100 Meter tief im Genfer Becken zieht sich ein fast 30 Kilometer langer Tunnel ringförmig durch Erdreich und Gestein: Auf dem
Large Hadron Collider (LHC) liegen große Hoffnungen nicht nur der
Teilchenphysiker, sondern auch der Astronomen wie Ralf Bender.
Der LHC ist der größte Teilchenbeschleuniger für Hadronen der Welt.
Angesiedelt ist er am Europäischen Kernforschungszentrum CERN
in Genf. Professor Dorothee Schaile, Lehrstuhlinhaberin für Elementarteilchenphysik an der LMU, erklärt, warum die Experimente am
LHC auch für die Astrophysik so wichtig sind: „Die Beobachtungen
der Astronomen setzen rund 300.000 Jahre nach dem Urknall an. Erst
seit dieser Zeit ist das Universum transparent und es gibt das hierfür
so wichtige Licht.“ Vorher, erklärt sie, gab es nur eine Suppe von
Elementarteilchen, die heftig miteinander wechselwirkten. „Die Abstände zwischen den geladenen Bestandteilen waren so klein, dass
Licht keine Chance hatte, sich ohne Wechselwirkungen frei auszubreiten“, so Dorothee Schaile, die mit ihrem Team selbst am LHC
mitwirkt. Erst nach und nach habe sich das Universum ausgedehnt
und dabei auch abgekühlt.
Mit den Experimenten bei LHC soll diese Urteilchensuppe untersucht
werden. Es gilt, Antworten unter anderem darauf zu finden, welche
physikalischen Gesetze in der Zeit sehr kurz nach dem Big Bang die
Entwicklung unseres Universums bestimmten. „Wir erzeugen mit
dem LHC Teilchenenergien, die typisch für die Bestandteile
der Ursuppe 10-12 bis 10-10 Sekunden nach dem Urknall waren“,
erläutert sie. Eine wichtige Frage ist die nach dem Ursprung der
Massen elementarer Teilchen. Das erfolgreiche Standardmodell der
Teilchenphysik bietet hierfür einen Mechanismus an, der zwingend
ein weiteres Teilchen, das viel zitierte Higgs-Boson, hervorbringt.
Wenn es ein Higgs-Boson mit den im Standardmodell vorhergesagten Eigenschaften gibt, so wird LHC dieses Teilchen finden. „Mit
der Entdeckung des Higgs Bosons wäre das Standardmodell komplett – nicht aber die Teilchenphysik, denn genau dieses Teilchen
wirft ganz essentielle Fragen auf“, sagt Professor Schaile.
Antworten erhält man nur mit einer Erweiterung des Standard­
modells. Ein vielzitiertes Beispiel hierfür ist die Supersymmetrie,
kurz SUSY. Das Standardmodell unterscheidet zwischen sogenannten Fermionen, den Bausteinen der Materie, und Bosonen als Vermittlerteilchen von Kräften (Lichtquanten oder Photonen, sind die
Vermittler der elektromagnetischen Kraft). SUSY ordnet jedem Kräftevermittler ein neues fermionisches Teilchen mit sonst gleichartigen
Eigenschaften zu und entsprechend jedem Materiebaustein ein
neues bosonisches Teilchen. Leider wurden diese neuen SUSY-Teilchen bisher nicht gefunden, müssen also schwerer sein als ihre bereits bekannten Partner. SUSY bietet eine einheitliche mathematische
Beschreibung von Materie und Kräften, die grundlegend für die Vereinheitlichung aller Wechselwirkungen mit der Gravitation ist. Viele
neue SUSY-Teilchen könnten für LHC „zum Greifen nah“ sein. Das
leichteste SUSY-Teilchen wird oft als stabil oder extrem langlebig
und elektrisch neutral angesetzt. Damit wird es zum idealen Kandidaten für die in der Astronomie beobachtete Dunkle Materie, die mit
den bisher bekannten Elementarteilchen nicht erklärt werden kann.
„Die Suche nach SUSY bei LHC ist somit keine Privatange­legenheit
der Teilchenphysik“, meint Dorothee Schaile. „Die Resultate hätten
weitreichende Konsequenzen auch für die Astrophysik und die
Kosmologie.“
Kollisionen auf der Teilchenrennbahn
Aber wie funktioniert das alles? Was muss passieren, bevor man in
den Detektoren überhaupt etwas sieht? Dorothee Schaile beschreibt
das LHC treffend als „Teilchenrennbahn“: In dem Beschleuniger­
kanal werden Protonen in entgegengesetzter Richtung fast auf
Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht, um
unterschiedliche Elementarteilchen zu erzeugen – und zwar genau
im Zentrum von insgesamt vier Experimenten oder Detektoren, die
an verschiedenen Orten im Beschleunigerring platziert sind.
„Aus der Beobachtung von Sekundärteilchen im Detektor können
wir lernen, wie die primäre extrem hochenergetische Kollision zwischen zwei elementaren Bestandteilen des Protons stattgefunden
hat, und so auf die Wechselwirkungen der Teilchen in der Ursuppe
des frühen Universums schließen“, erklärt Schaile. An einem der
LHC-Detektoren, dem ATLAS-Experiment (A Toroidal LHC ApparatuS), haben Schaile und ihr Forscherteam entscheidend mitgewirkt.
Zusammen mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Physik
in München haben sie sehr präzise Spurkammern für die Myonendetektion entwickelt und gebaut: Sie sind am äußeren Rand dieses
riesigen Mikroskops installiert, das, getreu dem Motto „je kleiner das
gesuchte Teilchen, desto größer der Detektor“, immerhin 40 Meter
lang ist und einen Durchmesser von 20 Metern hat.
Zweck der Spurkammern ist es, auf Haaresbreite genau die Flugbahn
von Myonen zu rekonstruieren. Myonen sind die „schweren Schwestern“ der Elektronen, und beide sind in Proton-Proton Kollisionen
ein Signal für eine interessante Reaktion. Myonen wechselwirken
nur wenig mit dem Detektormaterial und daher sind sie die einzigen
geladenen Teilchen, die nicht auf ihrem Weg vom Kollisionspunkt
durch ein massives Kalorimeter absorbiert werden. Eine durch das
Magnetfeld wenig gekrümmte Spur in den äußeren Spurkammern
ist ein relativ sicherer Hinweis auf ein hochenergetisches Myon und
somit auf ein interessantes Ereignis.
Der LHC soll nach einem Testlauf im vergangenen Jahr 2009 erstmals
Daten liefern. Mehrere Petabyte (1015 Byte) pro Jahr fallen dabei an –
ungeheure Mengen, die man an einem einzigen Zentrum weder analysieren noch für die rund 2.000 Mitglieder der ATLAS Kollaboration
abrufbar machen kann. Hier setzt das sogenannte Grid-Computing
an, an dem das Team von Professor Schaile zusammen mit dem
Leibniz-Rechenzentrum maßgeblich beteiligt ist. Grid-Computing
liefert ein Konzept, wie weltweit verteilte Ressourcen an Speicherund Rechenleistung so zusammengefasst werden, als gehörten sie
zu einem einzigen Computer. Das funktioniert über eine durchdachte
Hierarchie vieler Zentren weltweit und die sogenannte Middleware,
eine Software, die dem Nutzer eine einheitliche Schnittstelle zu den
verschiedenen Zentren bereitstellt. Schaile: „LHC Physiker sind aus
purer Notwendigkeit heraus Vorreiter dieses neuen Konzepts geworden. Wahrscheinlich wird es aber recht bald eine ähnliche Tragweite
haben wie das World Wide Web, das am CERN für die großen internationalen Kollaborationen der Teilchenphysik entwickelt wurde, um
weltweiten Zugang zu lokal vorhandenen ­Informationen über eine
einheitliche Schnittstelle zu schaffen.“
Geballte Exzellenz
Die intensive Einbindung Münchener Forscher in Großprojekte wie
die Großteleskope oder das CERN zeigen deutlich: München ist eine
der weltweit ersten Adressen im Bereich der Astrophysik und der
Vernetzung zwischen den verschiedenen physikalischen Disziplinen.
Das war wohl ein wichtiger Grund dafür, dass der Standort in der
Exzellenzinitiative den Zuschlag für den Cluster „Origin and Structure of the Universe“, kurz Universe Cluster, erhalten hat. Für den
Lesetipps:
Reihe Astrophysik aktuell
Hrsg. von Andreas Burkert, Harald Lesch u.a.
Forschungsverbund, der an der Technischen Universität München
(TUM) als Sprecherhochschule angesiedelt ist, hat sein stellvertretender Koordinator Andreas Burkert, Professor für theoretische und
numerische Astrophysik an der LMU, einen Kugelsternhaufen als
treffendes Bild gewählt, der vor allem aufgrund seiner Gravitation
zusammengehalten wird. „Unsere Forschergruppen existieren und
funktionieren zwar für sich, aber wir haben innerhalb des Clusters
bessere Vernetzungsmöglichkeiten. Das heißt, wir können bekannte
Forschungsthemen aus verschiedenen Perspektiven betrachten und
neue Zusammenhänge finden“ sagt Burkert. Beim Universe Cluster
forschen Wissenschaftler der TUM, der LMU und insgesamt vier
Max-Planck-Instituten zu Themen der Astro-, Teilchen- und Nuklearphysik. Hier wird institutionell zusammengeführt, was auf den ersten
Blick nicht so viel miteinander zu tun zu haben scheint. So etwa die
Forschung von Ralf Bender und Dorothee Schaile, die als Principal
Investigators eine wichtige Rolle im Cluster spielen. Schaile ist dort
zudem Leiterin einer Research Area. Im Universe Cluster gibt es Wissenschaftler, die sich mit den elementaren Strukturen, den Fundamentalkräften oder ­maßgeblichen Fragen zur Kosmologie, das heißt, wie
das Weltall entstanden ist, beschäftigen. Burkert selbst befasst sich mit
Simulationen komplexer Phänomene im Universum und liefert seinen
Kollegen in der experimentellen Astrophysik Modelle etwa von der
Galaxien- und Sternentstehung.
„Ganz gleich, in welchem Bereich der Astrophysik wir tätig sind,
unsere Arbeit basiert im Wesentlichen auf numerischen Methoden“,
beschreibt Burkert eine wichtige Gemeinsamkeit der Forscher und
die große Bedeutung wissenschaftlicher Vernetzung, was konkret
heißt, dass die Forschungsergebnisse von Kollegen eine wichtige
Schnittstelle zu eigenen Themen sein können.
Burkert sieht den Universe Cluster als Riesenchance, den ohnehin
schon erstklassigen Ruf Münchens in der Astrophysik noch deutlich
zu verbessern. „Internationale Vernetzung ist das A und O“, meint er.
„Wir versuchen deshalb die besten Köpfe der Disziplin zu bekommen
und zwar nicht nur als Fellows, sondern auch für die längerfristige
Forschung.“ Er verweist auf Erfolg versprechende Verhandlungen
mit absoluten Koryphäen des Faches, die bald abgeschlossen sein
dürften.
Kosmologie, vor allem in ihrer Interaktion mit der Teilchenphysik,
gehört weltweit zu den wissenschaftlichen Topthemen, da ist sich
Burkert sicher. Deswegen ist der Astrophysiker zusammen mit dem
Koordinator des Clusters – Professor Stephan Paul von der TUM
– auf Kooperationen mit den Spitzenzentren weltweit aus. Erst im
Das Sonnensystem
Planeten und ihre Entstehung
Bernd Lang
119 Seiten, Spektrum Akademischer Verlag 2007
Sternentstehung
Vom Urknall bis zur Geburt der Sonne
Ralf Klessen
82 Seiten, Spektrum Akademischer Verlag 2006
Weitere Informationen:
www.universe-cluster.de
www.atlas.ch
vergangenen Jahr haben sie etwa mit der Universität Berkeley ein sogenanntes „Memorandum of Understanding“ unterzeichnet, das die
enge Zusammenarbeit beider Standorte besiegelt. Zudem werden
Kontakte etwa zu einem Kosmologiezentrum in Peking ausgebaut.
Ein umfangreiches Rahmenprogramm für den wissenschaftlichen
Nachwuchs ist ebenfalls voll international ausgerichtet: So findet im
Januar die Schule „Cosmology at the Beach“ in Mexiko für insgesamt
100 Junior-Wissenschaftler statt. Daran nehmen neben UniverseDoktoranden auch junge Forscher zum Beispiel aus Berkeley und
anderen Universitäten teil.
Damit die Nachwuchswissenschaftler auch die unterschiedlichen
Disziplinen kennenlernen, bietet der Cluster Blockvorlesungen zur
„Astrophysik für Teilchenphysiker“ und zur „Teilchenphysik für
Astrophysiker“ an: Alle vom Cluster finanzierten Doktoranden der
beiden Gebiete müssen zu dieser Vorlesung. Andreas Burkert sagt
stolz: „Wenn bei uns jemand im Cluster promoviert, kann er mehr
als andere.“
Einen weiteren großen Vorteil des Cluster im Gegensatz zu anderen:
Die Universe-Forscher haben ein eigenes Gebäude auf dem Gelände
des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Garching. „Das wirkt
schon ein bisschen psychologisch in punkto Zusammengehörigkeit“,
sagt Andreas Burkert. Und die ist wichtig, wenn man auf einem der
wichtigsten Forschungsgebiete des 21. Jahrhunderts in der ersten
Liga mitspielen möchte.
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MUM 01 | 2009
Expansionsgeschichte des Universums
Vom heißen Urknall zum kalten Kosmos
Helmut Hetznecker
116 Seiten, Spektrum Akademischer Verlag 2007
titel
Sterne
Was ihr Licht über die Materie im Kosmos verrät
Achim Weiss
124 Seiten, Spektrum Akademischer Verlag 2008