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BERICHT/036: Jahr der Astronomie 2009 (MünchnerUni Magazin)


MünchnerUni Magazin 01/2009
Zeitschrift der Ludwig-Maximilians-Universität München

Per aspera ad astra
Jahr der Astronomie 2009

Von Clemens Grosse


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 ehrendes 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.


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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 Wendelsteins 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 Paranal-Teleskope - 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 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 vermuten 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 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."


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 Standardmodells. 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 Beschleunigerkanal 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 AT LAS 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 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 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 Universe-Doktoranden 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.


Lesetipps:

Reihe Astrophysik aktuell
Hrsg. von Andreas Burkert, Harald Lesch u.a.

Sterne
Was ihr Licht über die Materie im Kosmos verrät
Achim Weiss
124 Seiten, Spektrum Akademischer Verlag 2008

Expansionsgeschichte des Universums
Vom heißen Urknall zum kalten Kosmos
Helmut Hetznecker
116 Seiten, Spektrum Akademischer Verlag 2007

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


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Quelle:
MünchnerUni Magazin 01/2009, Seite 4-7
Herausgeber: Rektorat der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München
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veröffentlicht im Schattenblick zum 30. Januar 2009