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EINSICHTEN 2010
NEWSLETTER 02
interdisziplinäre einsichten
T ho r ste n Naese r
Das Weltall
aus vielen
Perspektiven
Im Exzellenzcluster „Universe“ erforschen Astro-, Teilchen- und Nuklearphysiker
zahlreicher Münchner Forschungsinstitutionen die Weiten des Kosmos. Mit dabei sind
auch Wissenschaftler der LMU. Sie verfolgen in dem Forschungsverbund ganz unterschiedliche Ansätze, die Phänomene des Weltalls besser zu verstehen. Von der Erforschung Schwarzer Löcher über die Supersymmetrie bis zur Suche nach dem ominösen
Higgs-Boson spannen sie den Bogen ihres Forschungsinteresses.
Im Jahr 1600 war die Astronomie noch eine überschaubare Disziplin. Ein paar wenige
Forscher prägten sie. So bot sich damals dem deutschen Astronomen Johannes Kepler die
einmalige Chance, am Kaiserhof in Prag den Hofastronomen Tycho Brahe zu treffen. In
dessen Fundus befanden sich exakte Messungen vieler Gestirnpositionen. Dringend benötigte Kepler diese Daten zur Untermauerung seiner heliozentrischen Theorie, die besagt,
dass die Erde um die Sonne kreist. Kepler war ein ausgezeichneter Mathematiker, Brahe
ein versierter Beobachter und so ergänzten sich beide hervorragend. Gut 400 Jahre später
hat sich an der Faszination für die fast endlosen Weiten des Weltalls nichts geändert. Auch
der Kooperationsgedanke hat überlebt. Allerdings erkunden heute weltweit viele tausend
Wissenschaftler das Universum. Alleine im Münchner Exzellenzcluster Origin and Structure of the Universe, kurz „Universe“-Cluster, haben sich seit 2006 rund 250 Forscher in
45 Arbeitsgruppen unter der Federführung der Technischen Universität München (TUM)
organisiert. Das interdisziplinäre Projekt ist auf fünf Jahre ausgelegt. Vereint haben sich die
Physik-Fakultäten der TUM und der Ludwig-Maximilians-Universität. Ebenfalls mit dabei
sind einige Max-Planck-Institute und die Europäische Südsternwarte (ESO).
Heute stehen die Forscher vor Fragen, wie sie sich vor 400 Jahren die legendären Pioniere
der Astronomie noch nicht stellen konnten: Wie ist das Universum entstanden? Aus welchen Bausteinen setzt es sich zusammen? Warum gibt es Galaxien, Sterne und Planeten?
Und nicht zuletzt will man wissen, wie wohl die Zukunft des heute 13,7 Milliarden Jahre
alten Weltalls aussieht. Eine der schwierigsten Fragen rankt sich um das heute gültige
Standardmodell der Physik. Das Problem dabei: Das Standardmodell beschreibt zwar die
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uns bekannten Elementarteilchen und die Wechselwirkungen zwischen diesen, kann aber
viele Phänomene der modernen Teilchen- und Astrophysik nicht befriedigend beantworten.
Trotzdem gehen die Physiker davon aus, dass alle Gesetze der Physik auf der Erde auch
im Kosmos Gültigkeit haben. An diesem Punkt kommen Gedankenmodelle wie die Supersymmetrie (SUSY) und die Stringtheorie ins Spiel. Mit ihnen könnten viele Phänomene im
sehr frühen Kosmos erklärt werden. „Eines der großen Probleme der theoretischen Physik
ist die Vereinigung der Einsteinschen Relativitätstheorie mit der Quantentheorie“, erklärt
Professor Ilka Brunner. Sie ist Theoretische Physikerin und Nachwuchsgruppenleiterin im
Cluster an der LMU und forscht an der Stringtheorie. „Die Stringtheorie bietet uns einen
vielversprechenden Rahmen zur Lösung unseres Problems“, sagt sie. Die Grundidee der
Theorie ist, das Konzept des Punktteilchens durch das eines eindimensional ausgedehnten Objektes, einer Saite (englisch string), zu ersetzen. Die unterschiedlichen Elementarbausteine, wie beispielsweise Quarks, Leptonen, Photonen, werden dann als Anregungen
des Strings beschrieben. Bis heute fehlt jedoch die experimentelle Bestätigung. Während
die Stringtheorie noch eine große Unbekannte in der Astrophysik ist, gibt es andere Bereiche, über die die Sternenforscher bereits gut Bescheid wissen: Sehr früh existierten
im Universum die chemischen Elemente Wasserstoff, Helium und Lithium. Sie waren die
Grundbausteine für die Geburt der ersten Sterne, Schwarzen Löcher und Galaxien. Heute
sorgen Sterne und Sternexplosionen für die Versorgung des Universums mit Elementen,
wie Sauerstoff, Silizium und Eisen. Aber auch schwere Uranatome sind Teil des kosmologischen Cocktails.
wie ste r n e mit pla n ete n systeme n e n tstehe n
In den 1990er Jahren entdeckte man erstmals sogenannte Exoplaneten, also Planeten die
außerhalb unseres Sonnensystems andere Sterne umkreisen. Direkt beobachten kann man
Exoplaneten nicht. Der Nachweis erfolgt indirekt über die Gravitation oder über die Verdunklung des Sterns beim Durchgang des Planeten. Wie Sterne mit Planetensystemen
entstehen, erforscht Professor Andreas Burkert, Leiter des Lehrstuhls Computational Astrophysics an der LMU, gemeinsam mit seinem Team. Er ist zugleich stellvertretender Sprecher des Exzellenzclusters. Der erste Ansatz der Wissenschaftler ist denkbar einfach: Es
sind die spektakulären Bilder von Teleskopen wie Hubble. Diese Fotos zeigen ferne Sterne,
tauchen Galaxien in alle Farben des Regenbogens und zeigen gewaltige Ansammlungen
kosmischen Staubs. Auch ohne viel von Astronomie zu verstehen, beeindrucken Bilder aus
dem Universum immer wieder aufs Neue. Nicht selten findet man besonders spektakuläre
Aufnahmen aus den unendlichen Weiten des Weltalls auf den Titelblättern von Tageszeitungen. In seinem Büro erklärt Andreas Burkert was sich rund 1.600 Lichtjahre von der
Erde entfernt, bei einem der bekanntesten Nebel, dem Pferdekopfnebel, physikalisch abspielt. „Der Pferdekopfnebel ist Teil einer gigantischen, dichten, dunklen Wolke aus Gas
und Staub im Sternbild Orion“, erklärt er. „Hier entstehen ständig neue Sterne und wahrscheinlich auch Planeten“. Die Forscher haben eines der Bilder des Teleskops Hubble als
Grundlage verwendet. Basierend auf diesem Bild haben sie am Rechner ein Modell erstellt,
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wie die gewaltigen Strukturen zustande
kommen, die an die Köpfe von Pferden
erinnern. Andreas Burkert zeigt eine
kleine Simulation auf seinem Computer.
„Von rechts rauscht ein Wind aus ionisierender Sternstrahlung direkt auf die
Wolke zu“, erklärt der Astronom. Sobald er die inhomogene Wolke aus Gas
und Staub trifft wird diese komprimiert,
aufgeheizt und letztendlich zerstört. „In
einigen Arealen jedoch, vorwiegend an
den Frontseiten der Gas- und Staubwolke, ballt sich die Materie zusammen“,
erläutert er, während die Simulation auf
Der Pferdekopf, auch Barnard 33 oder IC434 genannt, ein dunkler Nebel im
Sternbild des Orion. „Hier entstehen ständig neue Sterne und wahrschein-
dem Rechner weiter läuft. „Genau dort
lich auch Planeten“, erläutert Andreas Burkert.
entstehen neue Sterne.“ Für solche und
Quelle: ESA
ähnliche Simulationen benötigen die
Wissenschaftler eine große Menge an
Rechnerkapazität. Die Forscher bedienen sich am Leibniz-Rechenzentrum. Sie haben aber
auch einen eigenen Hochleistungsrechner in der Sternwarte in München-Bogenhausen.
„Im Universum gelten alle Gesetze der Physik wie auf der Erde“, sagt Andreas Burkert. Somit kann man viele Phänomene simulieren und schlüssige Antworten finden. Ein Beispiel
dafür sind Schwarze Löcher. „In Jeder Galaxie scheint es ein Schwarzes Loch zu geben,
das ungefähr einem tausendstel der Gesamtmasse der Galaxie entspricht“, berichtet er.
Dieses Phänomen ist bis heute weitgehend ein Rätsel. Beeinflusst das Schwarze Loch die
Galaxie oder anders herum? Meist sind die anfänglichen Überlegungen zu so einer kosmologischen Fragestellung eher kompliziert. Wie viel Materie ist im Spiel, wie wirken die
Gravitationskräfte, welche externen Einflüsse wie Wechselwirkung mit dem umgebenden
Galaxienhaufen wirken auf die Galaxie und das Schwarze Loch ein? „Meist versuchen wir
von den komplexen Fragestellungen zu einfachen Lösungen zu gelangen.“
Was treibt nun einen Mann wie Andreas Burkert an, sich einer Wissenschaft zu verschreiben, die auf den ersten Blick vor allem auf akademischen Fragestellungen beruht. „Es gilt
unser Weltbild zu verfeinern“, meint der Wissenschaftler. „Wir Menschen sind nichts anderes als kosmischer Sternens taub aus Kohlenstoff und Wasser“ erläutert der Astronom.
„Ich möchte verstehen, woher wir kommen und in welchem Kontext wir zu unserem gigantischen Universum stehen.“ Auch wenn man sich heute den Geheimnissen des Universums
oft in theoretischen Ansätzen nähert, spielt doch die klassische Beobachtung durch Teleskope, wie es viele berühmte Astronomen Jahrhunderte lang praktiziert haben, immer noch
die grundlegende Rolle. Ein Beispiel dafür steht auf dem Wendelstein in den bayerischen
Alpen. Dort betreibt die LMU ihre Sternwarte. Zurzeit werden Vorbereitungen getroffen,
im Frühjahr 2011 ein neues, leistungsstärkeres Teleskop zu installieren. Das Teleskop wird
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einen Durchmesser von zwei Metern haben und vor allem Langzeitbeobachtungen des
Firmaments ermöglichen. Professor Ralf Bender ist Leiter der Sternwarte und Mitglied im
Exzellenzcluster. Er zeigt sich begeistert von den neuen Perspektiven auf dem Wendelstein.
„Dort haben wir hervorragende Möglichkeiten, sogenannte Monitoringprogramme durchzuführen, die an Großteleskopen wegen der starken Aufsplittung der Beobachtungszeit
nicht möglich sind“, sagt der Astronom. „Wir können zum Beispiel über einen längeren
Zeitraum Sterne beobachten und aufgrund kleiner Veränderung in der Geschwindigkeit
eines Sterns neue Exoplaneten aufspüren.“ Die Flexibilität eines kleinen Teleskops erlaubt
besonders schnell auf Sternenexplosionen zu reagieren und deren Eigenschaften zu charakterisieren. Nicht zuletzt ist ein Zwei-Meter-Teleskop auch hervorragend geeignet, um
die Beobachtungen an Großteleskopen vorzubereiten oder zu ergänzen, so Ralf Bender.
Dabei helfen werden auch zwei neue Instrumente, die im Rahmen des Exzellenzclusters finanziert werden. Beide Instrumente analysieren Strahlung, die aus den Weiten des Kosmos
die Erde erreicht. Wenn die Astronomen ihr Teleskop in den Himmel richten, dann empfangen sie ein buntes Gemisch an Strahlung. Diese Strahlung stammt von fernen Sternen
oder Galaxien oder von Gasen. Neben Lichtwellen aus dem gesamten Spektrum gibt es
auch Radio- und Röntgenstrahlung. „Aus diesen Signalen kann man Rückschlüsse auf die
kosmischen Strukturen ziehen, die sie ausstrahlen“, erklärt Ralf Bender. Die Astronomen
erkunden so etwa Galaxien, die viele Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sind.
detaillie r te bilde r aus de n T iefe n des welt r aums
Eine der neuen Kameras, die an das Teleskop angeschlossen wird, kann drei verschiedene
Strahlungsarten einfangen, im blau-ultravioletten, im roten und im infraroten Wellenlängenbereich. „Die Technik erlaubt ein besonders detailliertes Bild von weit entfernten Vorgängen im Weltraum“, erläutert Ralf Bender. Das Gerät soll zum Beispiel erkunden, was bei
einer Supernova, also bei einer Sternenexplosion, passiert. „Ebenso wird die Kamera die
optisch-infraroten Echos von sogenannten Gammablitzen aufzeichnen.“ Bei diesen Blitzen
werden gigantische Mengen an Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung ins
Weltall entlassen. Oft wird hier innerhalb weniger Sekunden mehr Energie frei als unsere
Sonne während ihrer gesamten Existenz von 4,6 Milliarden Jahren erzeugt hat. Bis heute
sind die Ursachen solcher Gammablitze nicht vollständig verstanden. Wenn ein sterbender
Stern von 20 oder mehr Sonnenmassen in sich zusammenfällt, so die Theorie, haucht er
in einer gewaltigen Explosion sein Leben aus und verursacht mitunter einen Gammablitz.
Die zweite neue Kamera fotografiert das Firmament im visuellen Licht. Dieser sogenannte Wide Field Imager deckt mit höchster optischer Qualität die Fläche von einem halben
mal einem halben Grad ab, was in etwa dem Vollmonddurchmesser entspricht“, sagt Ralf
Bender. „Damit lassen sich sehr schwache Effekte, wie sie zum Beispiel die dunkle Materie
verursacht, sehr genau vermessen. So lernen wir grundlegende Dinge über die dunkle Materie oder die dunkle Energie.“
Das Dunkle im Universum steht im Mittelpunkt der Forschung von Ralf Bender und den
Mitgliedern seiner Gruppe. Der Weltraum besteht nur zu knapp fünf Prozent aus SterJuli
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nen, Planeten und Gasen. Den großen
Rest bilden die dunkle Materie mit 23
Prozent und die dunkle Energie mit
72 Prozent. Die dunklen Bestandteile
haben große Auswirkungen auf das
Universum: zum einen auf die Geschwindigkeit, mit der sich der Weltraum ausdehnt, zum anderen darauf,
in welche Richtung sich Strukturen,
wie Galaxien und Galaxienhaufen,
entwickeln. Die dunkle Materie ist
nicht direkt zu fassen. Entdeckt wurde
Die LMU-Sternwarte auf dem Wendelstein in den bayerischen Alpen. Im
Frühjahr 2011 soll ein neues, leistungsstarkes Teleskop installiert werden.
Quelle: LMU
sie bereits in den 1930 Jahren. „Galaxien sind schwerer als das Gewicht
ihrer Sterne und Gase“, erläutert Ralf
Bender. „Der Überschuss ist die dunk-
le Materie.“ Nachweisen können die Astronomen die dunkle Materie nur indirekt über
die Messung von dynamischen Eigenschaften wie Rotationskurven oder über den sogenannten Gravitationslinseneffekt. Dabei wird ein Lichtstrahl in Folge der Anziehungskräfte
der dunklen Materie abgelenkt. Je schwerer die dunkle Materie ist, desto größer ist die
Ablenkung, die von den Forschern aufgezeichnet wird. Während man noch halbwegs gut
versteht, wie dunkle Materie im Universum verteilt ist, wird es schwierig, wenn es um die
dunkle Energie geht. Die dunkle Energie ist eine hypothetische Energie, die physikalisch
benötigt wird, um beobachtete Phänomene im Universum zu verstehen. So wird die dunkle
Energie für die flache Form des Universums verantwortlich gemacht, ebenso wie für seine
beschleunigte Expansion. „Bisher können wir die Eigenschaften der dunklen Materie und
der dunklen Energie nur mittels astronomischer Beobachtungen charakterisieren“, sagt
Ralf Bender. „Vielleicht aber wird der neue Teilchenbeschleuniger LHC am CERN neue
Erkenntnisse bringen.“
Am Large Hadron Collider (LHC) in Genf ist auch die Elementarteilchenphysikerin Professor Dorothee Schaile regelmäßig aktiv. Mit ihrem Team erkundet sie, was sich gleich
nach dem Entstehen des Universums in der Ursuppe abgespielt haben muss. „Wir wollen
wissen, wie sich Teilchen nach einem tausendstel einer Milliardstel Sekunde nach dem
Urknall verhalten haben“, erklärt Dorothee Schaile. Nach diesem Zeitpunkt wissen Teilchenphysiker und Astronomen schon sehr genau, was im Universum passiert ist. Doch der
Zeitraum bis zum Punkt Null ist noch nahezu terra incognita. Am LHC prallen Protonen
mit extrem hohen Energien aufeinander. In der Kollision steht die Energie zur Erzeugung
neuer Teilchen zur Verfügung. Um diesen neuen Teilchen auf die Spur zu kommen, haben
die Münchner Forscher zum Bau eines riesigen Mikroskops beigetragen: Der zylindrische
Detektor des LHC-Experiments ATLAS hat einen Durchmesser von 20 Metern und ist 40
Meter lang. Mit dem Gerät erkunden die Physiker, welche Gesetze der Natur damals den
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Teilchencocktail der unvorstellbar heißen Ursuppe bestimmten. Bei Kollisionen zwischen
Protonen hoffen die Teilchenphysiker, endlich auch auf das sogenannte Higgs-Boson zu
stoßen. In der Theorie ist das Higgs-Boson ein Kraftfeld, das den Elementarteilchen Masse
verleiht. „Mit dem Higgs-Boson könnten wir das Standardmodell der Teilchenphysik vervollständigen“, erklärt Dorothee Schaile. „Gerade im Umfeld dieses Higgs lauern jedoch
neue Fragen, die das Standardmodell definitiv nicht beantwortet“, sagt die Physikerin.
„LHC ist prädestiniert, auch hierfür Antworten zu finden“.
Im Exzellenzcluster ist es gerade der rege Austausch zwischen den wissenschaftlichen
Disziplinen, der zu neuen Erkenntnissen führt. Im Verbund sind neben den Astro- und
Teilchenphysikern auch die Nuklearphysiker vernetzt. „Das hilft uns, Fragestellungen aus
verschiedenen Perspektiven zu beleuchten“, erklärt Andreas Burkert. Auch der Ausbildung
des Nachwuchses kommt das zu Gute. „Wer bei uns seinen Abschluss macht, der hatte die
Chance über den Tellerrand seines Faches zu schauen und weiß mehr als so mancher andere“, sagt er stolz. Doch nicht nur Studierende kommen in den Genuss einer interdisziplinären Ausbildung. Auch dem jüngeren Nachwuchs bieten die Wissenschaftler im Rahmen
eines Schulprogramms die Gelegenheit, sich mit ihrer Arbeit vertraut zu machen. Zudem
gibt es im Deutschen Museum eine Sonderausstellung des „Universe“-Clusters zu sehen.
Hier wird gezeigt, wie das Universum entstanden ist, wie sich Planeten entwickeln und
welche Rolle die dunkle Materie dabei spielt.
Prof. Dr. Andreas Burkert ist seit 2003 Professor für Astronomie und Astrophysik an der LMU.
Er ist stellvertretender Sprecher des Exzellenzclusters „Origin and Structure of the Universe“,
das 2006 eingerichtet wurde.
http://www.usm.uni-muenchen.de/people/burkert/
[email protected]
Prof. Dr. Ralf Bender ist seit 1994 Professor für Astronomie an der LMU. 1998 übernahm er
die Leitung der Universitäts-Sternwarte der LMU, seit 2002 ist er zudem Direktor am
Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik.
http://www.usm.lmu.de:81/people/bender/bender.html
[email protected]
Prof. Dr. Ilka Brunner ist Professorin am Lehrstuhl für Theoretische Physik –
Mathematische Physik.
http://homepages.physik.uni-muenchen.de/~ilka.brunner/
[email protected]
Prof. Dr. Dorothee Schaile ist Lehrstuhlinhaberin für Experimentelle Physik –
Elementarteilchenphysik an der LMU.
http://www.etp.physik.uni-muenchen.de/
[email protected]
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