Neues aus der Astronomie und der Hamburger Sternwarte

Hat Hamburg eine Super-Erde
entdeckt?

Der neu entdeckte Exoplanet Kepler-725c könnte eine Super-Erde oder eine Wasserwelt sein. Besonders spannend: Er befindet sich in der bewohnbaren Zone.

Sind wir alleine im Universum? Diese Frage kann die Wissenschaft immer noch nicht beantworten – doch eine andere Frage ist längst geklärt: Die Planeten unseres Sonnensystems sind nicht alleine im Universum; es wurden bisher knapp 6000 Exoplaneten – also Planeten außerhalb unseres Sonnensystems – entdeckt. Darunter befinden sich einige erdähnliche Planeten, doch bisher noch keiner, auf dem Leben entdeckt wurde.

Nun hat ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung der Hamburger Sternwarte einen besonders spannenden Exoplaneten entdeckt: Kepler-725c hat zehn Erdmassen und befindet sich auf einem Teil seiner Umlaufbahn in der habitablen Zone des sonnenähnlichen Sterns Kepler-725. Als „habitable Zone“ bezeichnet die Forschung den Bereich einer Umlaufbahn, in der flüssiges Wasser möglich ist.

Suche nach einer zweiten Erde: Exoplanet Kepler-725c ist in der habitablen Zone

Der neu entdeckte Planet braucht 207,5 Tage, um seinen Stern einmal zu umrunden. Dabei enthält er etwa 1,4 Mal die Strahlung, die die Erde von der Sonne erhält. Wie genau Kepler-725c aussieht, können die Forschenden nicht sagen. In ihrer Studie stellen sie jedoch einige Hypothesen auf: „Bei Kepler-725c könnte es sich um einen Gesteinsplaneten handeln, der möglicherweise von einem Wasserozean und freiliegendem Land bedeckt ist, es könnte aber auch ein Sub-Neptun mit einer beträchtlichen Wasserstoff/Helium-Hülle sein“, so die Forschenden.

Es ist der Studie zufolge möglich, dass Kepler-725c eine Super-Erde ist, er könnte aber auch eine „Wasser-Welt“ sein, vermutet das Forschungsteam. „Kepler-725c könnte zu einer neuen Klasse von bewohnbaren Mini-Neptunplaneten gehören, die als hyzeanische Planeten bekannt sind, obwohl sie eine relativ dünne, Wasserstoff-reiche Atmosphäre haben. Kürzlich wurde vorgeschlagen, dass hyzeanische Planeten mit massiven Ozeanen und Wasserstoff-reichen Atmosphären bewohnbar sein könnten und einen wesentlich größeren Entdeckungsraum bei der Suche nach potenziell bewohnbaren Planeten ermöglichen“, heißt es in der Studie.

Exoplanet Kepler-725c wurde mit der TTV-Methode aufgespürt

Der neu entdeckte Exoplanet Kepler-725c ist auch noch aus einem ganz anderen Grund wichtig: Es ist die erste Super-Erde, die mittels einer neuen Technik aufgespürt wurde. Bisher wurden Exoplaneten hauptsächlich dann entdeckt, wenn sie vor ihrem Stern vorbeizogen (die Transit-Methode) oder sich ihre Schwerkraft auf ihren Stern auswirkte (Radialgeschwindigkeits-Methode). Die erstmals eingesetzte Methode namens „Transit Timing Variation“ (TTV) hilft Forschenden, Planeten mit geringer Masse in der habitablen Zone ihres Sterns aufzuspüren, die sonst nur schwer zu entdecken sind.

Menschen ähneln Sterne

In einer kürzlich durchgeführten Studie der Hamburger Sternwarte, haben Wissenschaftler ihre neu entwickelte Methodik in der numerischen Relativitätstheorie angewendet, um zu identi-fizieren, wie Kollisionen von Neutronensternen kleine Mengen an Materie mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit ausstoßen.

Diese Hochgeschwindigkeitsmaterie erzeugt elek-tromagnetische Blitze, die verräterische Infor-mationen über die Physik solcher heftiger Kollisionen enthalten. Diese Blitze sind die Hauptziele des Satelliten ULTRASAT, der 2027 gestartet werden soll.

Wie Menschen entwickeln sich Sterne: Sie entstehen im Zusammenbruch kosmischer Gaswolken, sie ent-wickeln sich anschließend aufgrund von nuklearen Verbrennungsprozessen in ihrem Inneren und - sobald ihr Kernbrennstoff nach Millionen von Jahren leer ist - sterben sie.

Die massereichsten Sterne beenden ihr Leben als spektakuläre Explosionen, die "Supernovae" genannt werden, und diese hinterlassen entweder Schwarze Löcher oder Neutronensterne.

Neutronensterne sind in jeder Hinsicht extrem. Sie haben – trotz ihrer großen Massen von etwa 1,5 Mal so groß wie die Masse unserer Sonne – nur etwa 10 km im Radius und diese Kombination aus großer Masse und geringer Größe erzeugt gigantische Gravitationsfelder. Daher ist die Raumzeit um einen Neutronenstern fast so extrem gekrümmt wie um ein Schwarzes Loch. Darüber hinaus bedeutet diese Massengrößenkombination auch, dass die Materie in einem Neutronenstern um ein Vielfaches dichter ist als im Kern eines Atoms, was sie zur dichtesten Form von Materie im Universum macht.

Viele tausend Neutronensterne wurden bisher beobachtet, und einige von ihnen kreisen um einen Begleit-Neutronenstern. Solche Doppel-Neutronen-stern-Systeme sind sehr wertvolle Laboratorien für die Physik unter den extremsten Bedingungen:

Sie ermöglichen sehr präzise Messungen von Neutronensternmassen, sie ermöglichen es uns, zu untersuchen, wie sich die dichteste Form von Materie verhält, und ihre Orbitalbewegung kann verwendet werden, um Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zu untersuchen.

Das erste derartige Doppel-Neutronensternsystem wurde 1974 entdeckt, und dieses System bewies nach mehr als einem halben Jahrhundert Zweifel, dass Gravitationswellen wirklich existieren. Diese Bestätigung gab den Bemühungen, Gravitations-wellen von Neutronenstern-Binären direkt mit terrestrischen Laboratorien zu detektieren, viel Schwung. Dieses Ziel wurde schließlich 2017 erreicht: Die LIGO-Virgo-Kollaboration entdeckte die Gravitationswellen von einem inspirierenden Neutronenstern-Doppelstern, und kurz nach der Kollision konnten Teleskope auf der ganzen Welt ein Feuerwerk der Strahlung im gesamten elektro-magnetischen Spektrum beobachten.

Aus solchen Neutronensternkollisionen kann viel über Physik gelernt werden: Neben der Prüfung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie bestätigte die erste Beobachtung kollidierender Neutronen-sterne auch, dass solche Kollisionen viele der schwersten Elemente im Universum (Elemente wie Gold und Platin) schmieden und ausstoßen, wo-durch Rosswogs frühere theoretische Vorhersagen bestätigt wurden. Während Materie mit Durch-schnittsgeschwindigkeiten von etwa zwanzig Prozent der Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum ausgeworfen wird, erreicht ein kleiner Bruchteil der Materie mehr als siebzig Prozent der Licht-geschwindigkeit. Da sich diese Materie am schnell-sten ausdehnt, kann ihre elektromagnetische Strah-lung zuerst entweichen. Der israelisch-deutsche ULTRASAT-Satellit, für den DESY Hardware baut, wird 2027 gestartet und diese Mission zielt darauf ab, solche frühen elektromagnetischen Blitze zu erkennen, die kurz nach dem Gravitationswellen-signal einer Neutronensternkollision folgen. Diese Signale enthalten Informationen über die Parameter des zusammengeführten Doppelsternsystems (z. B. das Verhältnis der beiden Neutronensternmassen), aber auch über die Eigenschaften der dichtesten Materiezustände im Universum. Daher ist das Verständnis dieser elektromagnetischen Signale direkt nach einer Neutronensternkollision von grundlegender Bedeutung.

Mehrere Forschungsgruppen, die numerische Relativitätssimulationen von Neutronenstern-kollisionen durchführen, hatten solche schnellen Auswurfe gesehen. Bei herkömmlichen numerischen Relativitätsmethoden ist es jedoch nicht trivial, herauszufinden, wie diese kleinen Mengen schneller Materie tatsächlich gestartet werden.

Nun wurde kürzlich eine neue Methodik entwickelt, um die allgemeinen relativistischen Fluiddynamik-gleichungen auf eine andere Weise zu lösen.

Es konnten zwei verschiedene Mechanismen identi-fiziert werden, mit denen schnelle Materie in den Weltraum geschleudert wird. Basierend auf diesen Ergebnissen machte das Forschungsteam de-taillierte Vorhersagen für die elektromagnetische Emission, die von solch schnellen Ejektionen kommen, die Satelliten wie ULTRASAT helfen werden, sie zu erkennen.

Auf Dunkle-Materie-Jagd mit Lasern und Atomuhren

Die Dunkle Materie, die die Bewegungen im Universum durch ihre Gravitationswirkung beein-flusst, ist noch immer ein großes Mysterium.

Um was es sich dabei nämlich handelt, weiß man bis heute nicht. Ein internationales Forschungsteam hat nun einen neuen Ansatz entwickelt, um den Geheimnissen der Dunklen Materie auf die Spur zu kommen.

Die Forschenen nutzen eine Technik, die es ihnen er-möglicht, Signale von Modellen Dunkler Materie auf-zuspüren.

Das Team analysierte die Daten eines europäischen Netzes ultrastabiler Laser, die über Glasfaserkabel miteinander verbunden sind, sowie die Daten der Atomuhren an Bord von GPS-Satelliten. Durch den Vergleich von Präzisionsmessungen über große Entfernungen hinweg wurde die Untersuchung sensitiv gegenüber subtilen Effekten oszillierender Dunkle-Materie-Felder, die sich in herkömmlichen Versuchsanordnungen aufheben würden.

Diese Methode, so die beteiligten Wissenschaftlern, würde es erlauben, ein breiteres Spektrum an Szenarien für Dunkle Materie zu untersuchen, was die Forschung zur Dunklen Materie deutlich voran-bringen könnte. Dunkle Materie ist, neben der noch ominöseren Dunklen Energie, einer der Haupt-bestandteile des Universums. Ihre Effekte konnten schon wiederholt nachgewiesen werden, um was es sich bei Dunklen Materie aber handelt, ist bis heute nicht bekannt.

(Foto: Das Foto zeigt das Hubble Ultra Deep Field 2012, eine verbesserte Version der Hubble Ultra Deep Field-Aufnahme,die durch zusätzliche Beobachtungs-zeit entstanden ist.)

Ein Stern steht allen Anzeichen nach kurz vor einer spektakulären Explosion.

Weltweit beobachten Astronomen derzeit mit gespannter Aufmerksamkeit das Sternenbild Corona Borealis – die sogenannte nördliche Krone. Denn einer ihrer Sterne steht allen Anzeichen nach kurz vor einer spektakulären Explosion.

Bei T CrB, ein eigentlich unscheinbarer Stern, handelt es sich genau genommen um einen Doppel-stern, also um zwei Sterne, die durch ihre Schwer-kraft aneinander gebunden sind. Einer dieser Sterne ist ein kleiner weißer Zwerg, während sein Begleiter ein riesiger roter Stern ist. Der rote Riese sondert Gas ab, das sich auf der Oberfläche des Weißen Zwergs ablagert. Dort verdichtet und erhitzt es sich – so lange, bis in der heißen äußeren Schicht des weißen Zwergs eine Kernfusion ausgelöst wird. Diese wird als plötzlicher Lichtausbruch für uns sichtbar. Astronomen nennen dieses Phänomen seit alters her Nova, also neuer Stern. Heute wissen wir aber, dass es nur so aussieht, als sei ein gänzlich neuer Stern entstanden.

Wird die Kernfusion auf T CrB für uns auf der Erde gefährlich?
Nein. Bei der Explosion entstehen zwar Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen. Mit der Enfernung von 2.600 Lichtjahren, kann uns die gefährliche Strahlung von T CrB nicht erreichen.

Was ist interessant an der bevor-stehenden Nova?
Eine Forschungsgruppe der Universität Hamburg untersucht speziell die Ent-wicklung von Doppel-sternsystemen. In dem Exzellenzcluster dreht sich ja alles um grundlegende Fragestellungen rund um den Ursprung, die Geschichte und die Zusammen-setzung des Universums.

Wir beobachten Systeme wie T CrB, um Parameter wie ihre Massen oder Massenzunahme zu messen und mehr über das Auftreten und die Eigenschaften von Doppelsternsystemen und die Explosionen von weißen Zwergen in unserer Milchstraße zu erfahren. Wir vermuten, dass bei Novaexplosionen extrem energiereiche Teilchen wie Gammastrahlen-photonen oder Neutrinos entstehen. Ihre Eigen-schaften und ihre bisher nur theoretisch ange-nommenen, aber nicht messbaren Wechsel-wirkungen mit Teilchen der dunklen Materie sind für die Astrophysik ebenso interessant wie für die Teilchen-physik.

Woher steht diese Nova kurz bevorsteht?
Die Nova von T CrB ist ein wiederkehrendes Phänomen. Es wurde bereits 1866 und 1946 beobachtet. Rein rech-nerisch ist es also wieder so weit. Forschende haben bereits charak-teristische Anzeichen wie die Verdun-kelung des Sterns kurz vor der Eruption beobachtet – wobei niemand exakt vor-hersagen kann, wann es soweit sein wird. Genau genommen ist es natürlich auch nicht ganz richtig, dass die Explosion unmittelbar bevorsteht. Da sich T CrB 2600 Lichtjahre von uns ent-fernt befindet, ist diese Explosion längst geschehen – wie vermutlich 30 weitere, deren Licht noch auf dem Weg zur Erde ist.

Wenn es so weit ist, wird die Nova für ein bis zwei Monate mit bloßem Auge gut sichtbar sein. T CrB wird dann etwa so hell wie der Polarstern erscheinen.

Wir empfangen nicht nur schwaches Licht von Sternen – unsere Körper sind aus Sternenstaub gemacht! Schwerere Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff haben sich aus Wasserstoff und Helium in den Kernen von Sternen gebildet. Dies ist eine unserer menschlichen Verbindungen zu explo-dierenden Novae, zusammen mit vielen astro-nomischen Rätseln, die uns dazu bringen, diese Sterne zu studieren.

Der 'Dino-Killer' Asteroid,
stammte aus dem äußeren Sonnensystem.
Wann geriet er auf Kollisionskurs zur Erde?

Inzwischen glaubt man heute, dass der Asteroid, dessen Einschlag vor 66 Mill. Jahren das Ende der Dinosaurier besiegelte, in einem Bereich jenseits der Jupiterbahn entstanden ist und zu den sogenannten kohligen Chondriten gehör-te, einer sehr primitiven Asteroidenart, die sich unmittelbar während der Entstehung des Sonnensystems gebildet hat. Auch wenn diese Brocken im äußeren Sonnensystem ent-standen sind, wander-ten sie bald durch gravitative Wechselwirkungen mit den Planeten weiter Rich-tung Sonne und finden sich heute hauptsächlich im äußeren Bereich des Asteroidengürtels zwischen Mars und Jupiter.

In der Frühphase des Sonnensystems gab es zahl-reiche Einschläge dieses Asteroidentyps auf der Erde und man nimmt an, dass sie die junge Erde mit Wasser und auch mit organischen Molekülen ver-sorgt haben. Simulationen haben gezeigt, dass inzwischen nur noch alle vielleicht 250 Millionen Jahre ein solcher Asteroid durch gravitative Wechselwirkungen von seiner Bahn im Asteroidengürtel ins innere Sonnensystem abge-lenkt wird.

Der "Dinosaurier-Killer" dürfte damit zu-nächst von seinem Geburtsort ins den Asteroidengürtel ge-wandert sein dort dann irgendwann abgelenkt worden sein. Wann er dann aber auf eine Umlaufbahn um die Sonne geriet, auf der er die Erdbahn kreuzte und wie lange er auf dieser Umlaufbahn unterwegs war, bevor es schließlich zur Kollision kam, ist kaum zu ermitteln, da präzise Bahndaten über das Objekt fehlen.

Planetenentstehung:
Wie Staubkörner durch Kollisionen wachsen

Planeten entstehen, indem Staub und Gestein in einer Scheibe um einen jungen Stern kollidieren und sich zu immer grö-ßeren Körpern verbinden. Diese soge-nannte Akkretion ist bislang nicht voll-ständig verstanden. Durch Experimente in Schwerelosigkeit konnten nun wesent-liche Beobachtungen zu Kollisions-geschwindigkeit und elektrischer Ladung der Partikel gemacht werden.

Bis aus einem mikrometerfeinen Staub-korn ein Planet mit einem Ausmaß von 10.000 Kilometern wird, vergehen Millionen von Jahren. Alles beginnt in einer scheibenförmigen Wolke aus Gas (99 Prozent) und Staub (ein Prozent), der protoplanetaren Scheibe: Hier stoßen die Staubpartikel zusammen und bilden Agglomerate. Wolken dieser Agglomerate kollabieren schließlich zu größeren Kör-pern, die Planetesimale genannt werden und bereits einen Durchmesser von ein bis hundert Kilometer haben können. Durch Gravitation ziehen die Planete-simale weitere Materie an, wachsen zu Protoplaneten und später zu vollwertigen Planeten heran.

Bei den Vorgängen in der Scheibe setzen die Partikel eine Kollisionsbarriere außer Kraft. Eigentlich ist es nämlich so, dass Staubkörner ab etwa einem Millimeter Größe gar nicht wachsen können, weil sie voneinander abprallen oder sie beim Zu-sammenstoß zerbrechen. Dadurch aber, dass sie immer wieder kollidieren, laden sie sich unterschiedlich auf und ziehen sich dann gegenseitig an.

Die Haftung durch elektrostatische Aufladung hatte ein Team schon in vor-herigen Fallturmexperimenten beobach-tet. Weil dabei nur knappe neun Sekun-den Messzeit in Schwerelosigkeit möglich sind, konnten sie die finale Größe und die Stabilität der wachsenden Körper nicht untersuchen. Ganz anders in den Experi-menten der aktuellen Studie:

Sie fanden auf einer Forschungsrakete der Europäischen Weltraumorganisation ESA statt. Während die Rakete auf 270 Kilometer Höhe aufstieg, bot die Rakete sechs Minuten Schwerelosigkeit, die Ex-perimente vom Boden aus zu steuern und zu verfolgen.

20 Jahre Forschungsbereich 'Dunkle Materie' in Hamburg

In den letzten 20 Jahren wurde eindeutig fest-gestellt, dass der Großteil der im Universum vorhandenen Materie nicht aus den uns bekannten Atomen und Teilchen bestehen kann.

Bislang ist die Identität dieser neuen Materieform - der sogenannten Dunklen Materie (DM) - jedoch unklar. Das bevorzugte Szenario ist die Existenz eines neuen Teilchens, das nur sehr schwach mit allen anderen bekannten Teilchen interagiert und daher schwer zu erkennen ist. Es wurden ver-schiedene Kandidaten-teilchen vorgeschlagen, wie ALPs (axionartige Teil-chen), WIMPs (schwach wechselwirkende massive Teilchen) und WISPs (schwach wechselwirkende schlanke Teilchen), die alle auch durch andere un-abhängige Überlegungen motiviert sind. Die Entschlüsselung der Natur der DM ist von grundlegender Bedeutung und wird weltweit mit höchster Priorität verfolgt.

Der Cluster ist eines der führenden internationalen Zentren für DM-Forschung und führt experimentelle, beobachtende und theoretische Studien durch.

Er deckt Suchvorgänge in nahezu dem gesamten Massenbereich ab, von ultraleichter Dunkler Materie unter eV bis hin zu sehr schweren Teilchenmassen weit über der TeV-Skala. Die Forschung wird in spe-ziellen Laboren in Hamburg, aber auch in astro-physikalischen Observatorien und in Teilchen-beschleunigern auf der ganzen Welt durchgeführt.