Interessierte Öffentlichkeit

Die moderne Kosmologie wurde durch drei unerwartete Beobachtungen geprägt:

• Die Gravitationskraft auf der Skala von Galaxien und Galaxienhaufen ist stärker, als sich aus den beobachtbaren Materiemengen im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie erklären lässt. Dies veranlasste Kosmologen zu der Annahme, dass es eine unbekannte Form von Materie gibt – „dunkle Materie“ –, die den größten Teil der Materiedichte im Universum ausmachen müsste.
• In noch größeren kosmischen Entfernungen wird die Schwerkraft abstoßend, was zu einer beschleunigten Expansion des Universums in seiner jüngeren Geschichte führt. Dies veranlasste Kosmologen, eine weitere mysteriöse Substanz vorzuschlagen: „dunkle Energie“, die eine ungewöhnliche (negative) Proportionalität zwischen ihrer Energiedichte und ihrem Druck aufweisen müsste, um die beobachtete Beschleunigung der kosmischen Expansion zu erklären.
• Das Universum ist überraschend homogen, mit Regionen, die während der gesamten Geschichte des Universums scheinbar nie in kausalem Kontakt standen und dennoch nahezu die gleiche durchschnittliche Materiedichte aufweisen. Dies (zusammen mit anderen Beobachtungen) hat Kosmologen dazu veranlasst, eine Epoche exponentieller kosmischer Expansion im frühen Universum vorzuschlagen – die Epoche der kosmischen Inflation.

Als Ergebnis dieser Entwicklungen sind drei mysteriöse neue Bestandteile (dunkle Materie, dunkle Energie und die Epoche der kosmischen Inflation) nun die Eckpfeiler des kosmologischen Standardmodells. Doch trotz der außerordentlichen Bedeutung dieser Konzepte ist über ihre Natur nur sehr wenig bekannt. Wie warm oder kalt ist dunkle Materie? Ist dunkle Energie dynamisch oder eine kosmologische Konstante? Nehmen dunkle Materie und dunkle Energie an anderen Wechselwirkungen als der Schwerkraft teil? Was ist der genaue Mechanismus hinter der Inflation? Beschreiben diese drei neuartigen Konzepte tatsächlich die Entwicklung des Universums richtig oder müssen wir alternative Erklärungen für die oben genannten Beobachtungen in Betracht ziehen?

Um diese Fragen zu beantworten, untersucht die großräumige Strukturkosmologie das Wachstum kosmischer Dichtestörungen im Laufe der Geschichte des Universums. Zusammen bilden diese Strukturen das sogenannte kosmische Netz, und Forscher am USM sind in leitender Position an einer Reihe von Projekten beteiligt, die darauf abzielen, dieses Netz aus Strukturen zu entschlüsseln. Wir tun dies auf verschiedene Weise: durch die Kartierung der Standorte von Galaxien und Galaxienhaufen, durch die Untersuchung von Gravitationslinseneffekten, die durch kosmische Massenkonzentrationen verursacht werden, und durch die Messung der Absorptionsmerkmale, die große kosmische Gaswolken in die Spektren leuchtender entfernter Lichtquellen einprägen. Zu den internationalen Experimenten, an denen die USM beteiligt ist, gehören unter anderem:

• Dark Energy Survey (DES)
• Die Euclid-Mission der ESA
• Vera Rubin Legacy Survey of Space and Time
• Das Dark Energy Spectroscopic Instrument

Zu Beginn seines Lebens ist ein Stern von einer rotierenden Scheibe aus Gas und Staub umgeben – einer protoplanetaren Scheibe. Eigenschaften der Scheibe wie ihre Temperatur- und Dichteprofile und ihre Materialzusammensetzung sind eng mit den Eigenschaften ihres Zentralsterns und der Zusammensetzung der Molekülwolke verknüpft, aus der sowohl der Stern als auch die Scheibe entstanden sind. Und diese Beziehungen zwischen Saatmaterial, Stern und Scheibe bestimmen, welche Prozesse der Planetenentstehung in der protoplanetaren Scheibe vorangetrieben werden können.

Heute kennen wir Tausende von extrasolaren Planeten, also Planeten, die um andere Sterne als unsere Sonne kreisen. Dies hat uns dem Verständnis der Mechanismen der Planetenentstehung und der Vielfalt der Planeten, die diese Mechanismen hervorbringen können, näher gebracht. Dies bringt uns auch der Beantwortung einer zentralen Frage der modernen Astrophysik näher: Wie typisch sind die Bedingungen in unserem Sonnensystem und insbesondere wie typisch ist der Planet Erde? Wissenschaftler an der USM arbeiten an vorderster Front an der Beantwortung dieser und weiterer Fragen. Ihre Arbeit beinhaltet unter anderem:

• Untersuchung von Exoplaneten und protoplanetaren Scheiben anhand von Beobachtungsdaten;
• Simulation von Planetenentstehungsmechanismen in protoplanetaren Scheiben;
• Modellierung, wie geophysikalische Prozesse auf Exoplaneten die Atmosphären dieser Planeten prägen, und Untersuchung welche Art von Signaturen dies den Lichtspektren der Planetenatmosphären aufprägt.

Ein wichtiger Teil des Verständnisses der Planetenentstehung und -entwicklung besteht darin, die Entstehung und Entwicklung ihrer Muttersterne zu verstehen. Aber die stellare Astrophysik spielt in der modernen Astrophysik natürlich eine viel grundlegendere Rolle: Unzählige astronomische Beobachtungen – z.B. Farb-Leuchtkraft-Diagramme von Sternhaufen, Lichtspektren entfernter Galaxien, Supernova-Beobachtungen, Messungen der Metallizität und Metallizitätsgradienten in Galaxien – können nur mit Hilfe von Sternentwicklungsmodellen genau interpretiert werden. Die USM beherbergt Wissenschaftler, die bei der Entwicklung solcher Modelle weltweit führend sind.

Auf den ersten Blick sind Galaxien einfach Ansammlungen von Milliarden Sternen an einem Ort am Nachthimmel. Mit tiefgreifenden bildgebenden Untersuchungen haben wir inzwischen Hunderte Millionen dieser Objekte entdeckt (und es wird geschätzt, dass noch viele Milliarden weitere im beobachtbaren Universum existieren). Diese kosmische Galaxienpopulation weist eine große Vielfalt auf, was darauf hindeutet, dass es tatsächlich viele verschiedene Arten von Galaxien gibt. Beobachtungseigenschaften, die sich zwischen Galaxien stark unterscheiden können, sind z.B. die folgenden:

• Morphologie: Galaxien können sich in ihrer Form und allgemeinen Struktur drastisch unterscheiden. Es gibt elliptische Galaxien mit einer auf den ersten Blick völlig unauffälligen Sternenverteilung. Es gibt Spiralgalaxien, deren Erscheinungsbild von riesigen Armen erhöhter Sterndichte dominiert wird, die spiralförmig in das galaktische Zentrum strömen. Andere zeigen sehr unregelmäßige Formen. Manche Galaxien werden von riesigen Materiestrahlen begleitet, die vom galaktischen Zentrum direkt in den intergalaktischen Raum schießen. Viele weitere Strukturdetails können zur Unterscheidung verschiedener Morphologietypen verwendet werden.
• Lichtspektren: Die Art der von Galaxien emittierten Strahlung kann zwischen verschiedenen Galaxientypen stark variieren. Einige Galaxienspektren werden von blauem Licht dominiert – wie es von jungen, heißen Sternen erzeugt wird, während andere Spektren von längeren, kälteren (röteren) Wellenlängen dominiert werden. Einige Galaxien können in ihren Spektren starke Emissionslinien aufweisen. Einige Galaxien haben unglaublich helle Lichtquellen in ihren Zentren, die sogar die gesamten übrigen Sterne der Galaxie überstrahlen können. Und dies ist immer noch nur eine Auswahl der vielen verschiedenen Spektralmerkmale, die Galaxienspektren charakterisieren können.
• Zusammensetzung: Galaxien können hinsichtlich der Materialien, aus denen sie bestehen, stark variieren. Einige Galaxien sind reich an jungen Sternen, Staub sowie molekularem und atomarem Gas (neben heißerem, ionisiertem Gas), während andere Galaxien größtenteils keine kälteren Gasphasen aufweisen und hauptsächlich ältere Sterne beherbergen. Es gibt auch Unterschiede im Grad der Metallizität von Galaxien, d. h. im Anteil ihrer Materialien, der aus Elementen besteht, die schwerer als Lithium sind.
• Dynamik: Verschiedene Galaxien weisen unterschiedliche Stern- und Gasdynamiken auf. Einige Galaxien rotieren in einer zusammenhängenden dünnen Scheibe, während in anderen Galaxien die Sterne auf inkohärenten, scheinbar chaotischen Umlaufbahnen kreisen. Die typische Geschwindigkeit, mit der sich Sterne in einer Galaxie bewegen, hängt auch eng mit der Gesamtgröße dieser Galaxie sowie ihrer Konzentration zusammen (ein Maß dafür, wie dicht die Sterne in einer Galaxie gepackt sind).

Die Parameter, in denen Galaxien voneinander unterschieden werden können, sind nicht unabhängig, aber sie hängen (kausal) zusammen und sind Überbleibsel der individuellen Entstehungsgeschichte, die jede Galaxie definiert. Wissenschaftler am USM stehen an vorderster Front bei der Erforschung der Prozesse, die die Galaxienentwicklung vorantreiben – sowohl durch Beobachtung als auch mithilfe fortschrittlicher Computersimulationen. Auf diese Weise decken sie die faszinierenden Geschichten auf, die hinter der großen Vielfalt galaktischer Phänomene stecken. Und sie testen auch unser Verständnis der Grundlagenphysik: Sie vergleichen Galaxienbeobachtungen mit dem kosmologischen Standardparadigma, bei dem Galaxien in Halos aus dunkler Materie entstehen und in dem die Eigenschaften von Galaxien eng mit der Geschichte der Verschmelzung verschiedener Halos aus dunkler Materie zusammenhängen. Sie decken außerdem Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften von Galaxien und den Eigenschaften der supermassiven Schwarzen Löcher auf, die in den Zentren dieser Galaxien leben.

Moderne Astronomie braucht moderne Instrumente! Diese werden unter anderem an der Universitätssternwarte München (USM) hergestellt. Der kryogene optische Aufbau der MICADO-Kamera für das kommende ELT (ESO), große Teile des NISP-Instruments für den Euclid-Satelliten und mehrere Projekte am VLT (ESO) sind nur einige Beispiele hierfür.

In der Werkstatt der USM werden aber neben Software und Technik für internationale Projekte auch Eigenbedarf-orientierte Beobachtungsinstrumente wie der Wendelstein Wide Field Imager (WWFI) und die 3-Kanal-Kamera (3KK) gebaut, welche am hochmodernen LMU-eigenen Wendelstein-Observatorium in Betrieb sind.