Beam me up, Potsdam - Einmal Milchstraße und zurück! – Details, episodes & analysis

Der Begriff „Transparente Materie“ würde eigentlich besser als „Dunkle Materie“ passen, denn die geheimnisvolle Masse, die über 80 Prozent unserer Galaxie ausmacht, ist unsichtbar. Sie leuchtet nicht selbst und liegt nicht in Form von Sternen oder Planeten vor. Galaxien wie unsere Milchstraße sind in einen großen Halo aus Dunkler Materie eingebettet, der sie durch seine zusätzliche Masse und Gravitationswirkung zusammenhält. Vieles ist noch unbekannt und damit faszinierend, sagt Dr. Marcel Pawlowski vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP). Der Forschungsgruppenleiter im Projekt „Kosmische Choreographien“ beschäftigt sich vorwiegend mit Zwerg- und Satellitengalaxien sowie deren Dynamik. Dass die Satellitengalaxien einer Art Anordnung folgen wie bei einem Reigen und nicht chaotisch wie bei einem Rockkonzert durcheinander springen, lernt Annette Weiß in dieser Folge.

Sterne entstehen in dichten interstellaren Gaswolken, in unserer Heimatgalaxie zum Beispiel in den Spiralarmen der Milchstraße. Ihre eigene Gravitation und die Energieerzeugung in Form von Kernfusion stabilisieren sie zu perfekten, fast kugelförmigen Gebilden. Für Prof. Dr. Dr. Stephan Geier, Professor für Stellare Astrophysik am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam, ist vor allem ihre Anfangsmasse und damit Lebensdauer interessant. Er weiß Erhellendes zu berichten: von Roten Riesen und Weißen Zwergen, Doppelsternen und Sternhaufen, Supernovae und Lichtblitzen. Als Historiker kann er sogar der Astrologie etwas abgewinnen: Der Glaube an den Einfluss der Gestirne auf das irdische Leben hat der Wissenschaft Astronomie den Weg geebnet.

Viele der Sterne in der Milchstraße sind nicht alleine im Universum unterwegs, sondern befinden sich in Systemen mit anderen Sternen. Dabei sind beide Sterne gravitativ gebunden und umkreisen einander. Sie formen somit ein Doppelsternsystem, wobei die Abstände und Umlaufzeiten verschiedener Systeme sehr stark variieren können. Prof. Dr. Tim Dietrich, Leiter der Abteilung Theoretische Astrophysik am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam, interessiert sich vor allem für kompakte Neutronensterne und Schwarze Löcher. Besonders die Sekunden vor und nach der Kollision zweier solcher Objekte findet Prof. Dietrich spannend. Um solche Zusammenstöße inklusive der enormen Energien, die bei solchen Kollisionen freigesetzt werden, sowie die Kräuselungen der Raumzeit in Form von Gravitationswellen, die Gammablitze und andere ausgesendete Strahlung richtig zu verstehen, benötigt man verschiedene Methoden und Theorien aus unterschiedlichen Forschungsfeldern. Kombiniert man diese miteinander, dann ermöglichen Neutronensternkollisionen es, Einsteins Relativitätstheorie auf den Prüfstand zu stellen und sie lassen Rückschlüsse auf die Eigenschaften unseres Universums zu.

In dieser Folge besucht Moderatorin Annette Weiß von proWissen Potsdam e.V. den Dom. Damit ist keine Kirmes gemeint, sondern das Observatorium auf dem Dach des Instituts für Physik und Astronomie in Golm. Institutsleiter Prof. Dr. Philipp Richter erklärt das interstellare Medium. Dreihundert bis vierhundert Milliarden Sterne gibt es in unserer Milchstraße, die die Form einer Scheibe hat. Zwischen den Sternen ist nicht etwa ein Vakuum, sondern ein extrem dünnes, gasförmiges Medium, das sogenannte „interstellare Medium“. Es besteht aus Ionen, Molekülen, Atomen und winzigen Partikeln, den interstellaren Staubteilchen. Interstellare Gaswolken gehören zu den spektakulärsten Objekten im Kosmos mit oftmals bizarren Formen und Strukturen. Unter der eigenen Gravitationskraft ballt sich das Gas zusammen, bildet dichte Klumpen und bringt so neue Sterne hervor. Auch unsere Sonne ist aus so einem interstellaren Klumpen entstanden.

Die Sonne ist der unserer Erde am nächsten gelegene Stern – mit 150 Millionen Kilometern Entfernung liegt sie quasi vor unserer Haustür. Ihre ständigen energiereichen Prozesse wie Flares und Sonnenstürme faszinieren Forscher wie Dr. Alexander Warmuth, stellvertretender Leiter der Abteilung Sonnenphysik am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP). Er hat als Co-Investigator das Röntgenteleskop STIX mit entwickelt, das an Bord der Raumsonde Solar Orbiter seit Februar 2020 die Eruptionen auf der Sonne beobachtet. Die Wissenschaftler erhoffen sich neue Erkenntnisse über das Weltraumwetter, das heißt durch die Aktivitäten der Sonne verursachtes Wetter auf der Erde. In einer Art kosmischem Billardspiel wurde Solar Orbiter durch mehrmalige Vorbeiflüge an Erde und Venus auf eine elliptische Bahn gebracht, die ihn ganz nah an die Sonne heranführt.

Schwarze Löcher können entstehen, wenn massereiche Sternen ihren Brennstoff aufgebraucht haben – sie kollabieren und im Zentrum bildet sich ein Schwarzes Loch. Während ein supermassives Schwarzes Loch unerbittlich Gas, Staub und ganze Sterne verschlingt, wird ein Teil der Energie in Form von hochenergetischen Materieströmen ausgespien. Dabei werden geladene Teilchen beschleunigt und bei deren gegenseitigen Stößen entstehen Neutrinos – einzigartige Boten der Geschehnisse im Weltall. Um sie nachzuweisen, wurde tief ins Eis des Südpols das Neutrinoteleskop IceCube eingelassen: 5000 Sensoren auf einem Volumen von einem Kubikkilometer in 1,5 bis 2,5 Kilometer Tiefe. Prof. Dr. Marek Kowalski vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Zeuthen, das maßgeblich an dem größten Teilchendetektor der Welt beteiligt ist, erläutert seine Funktionsweise. Außerdem zeigt er Moderatorin Annette Weiß die neuen Sensoren, die bei DESY entwickelt und getestet werden.

In der ersten Folge von „Beam me up, Potsdam. Einmal Milchstraße und zurück!“ führt Dr. Katja Weingrill vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) in unsere Heimatgalaxie ein: Sie ist eine scheibenförmige Galaxie, mit dichteren Spiralarmen aus Sternen und Staub und einem galaktischen Zentrum in der Mitte. Der Vergleich mit einem Spiegelei mit Eigelb in der Mitte und dem Tellerrand als galaktischer Scheibe leuchtet Moderatorin Annette Weiß ein. Dr. Weingrill arbeitet als Projektleiterin des Gaia Teams und weiß alles über das Weltraumteleskop, das seit 2014 den Himmel kartiert und Sterne vermisst. Es bestimmt ihre Positionen, Helligkeiten und Eigenschaften wie die Radialgeschwindigkeit, das heißt, ob sie sich auf uns zu oder von uns weg bewegen. Anfängliche Probleme des Satelliten, der in Form eines fliegenden Zylinders den Kosmos scannt, konnten behoben werden. Bereits im 9. Jahr funkt Gaia täglich Daten zur Erde, aus denen weltweit wissenschaftliche Publikationen entstehen – und eine weitere spektakuläre Veröffentlichung steht uns im Oktober 2023 noch bevor.

In dieser Folge lauschen wir ins Weltall: Detektoren wie GEO600 in Hannover oder LIGO in den USA können Signale von Gravitationswellen messen – der erste konkrete Nachweis gelang im Herbst 2015. Gravitationswellen werden durch heftige Ereignisse im fernen Universum erzeugt, z.B. durch den Zusammenstoß zweier Schwarzer Löcher oder durch Supernova-Explosionen. Die Suche nach Gravitationswellen erfordert detailliertes Wissen über die zu erwartenden Signale. Einer der „Gravitationswellen-Detektive“ ist Dr. Sebastian Völkel vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam (Albert-Einstein-Institut). Er erklärt, wie man genaue Modelle von Quellen der Gravitationswellen berechnet, um Schwarze Löcher oder heftige Ereignisse im Kosmos identifizieren zu können, und was wir von der im Mai 2023 gestarteten neuen Messreihe erwarten dürfen. Außerdem berichtet er über seinen Alltag als Forscher.