Astronomie am Kepler

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In dieser Folge stellen wir wieder einmal eine Astronomie-Abschlussarbeit aus dem BRG Kepler ins Zentrum: Kristof Szilas hat über die Atmosphären von Exoplaneten geschrieben. Der erste Exoplanet Dimidium (Pegasi 51b) wurde ja erst 1995 entdeckt; und so geht es zuerst einmal ausführlich um die Methoden der Exoplanetensuche. Danach gehen wir genauer darauf ein, wie sich eine Planetenatmosphäre überhaupt bildet und wie und wodurch sie sich verändert; dabei werfen wir insbesondere auch einen Blick auf die Entwicklung der Erdatmosphäre.

Eine tolle (kostenlose) Planetensystem-Bau-Spielwiese ist die Simulation „Mein Sonnensystem“ auf PhET. Wem das gefällt, für den ist vielleicht auch die (allerdings zu kaufende) großartige Universe Sandbox etwas.

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In dieser Folge geht es um Sternexplosionen – die natürlich nicht wirklich krachen, denn im leeren Weltraum kann man nichts hören, wie wir später klären. Zuerst geht es aber in den Space News ausführlich um die kürzlich gestarteten Raummissionen Hera und Europa Clipper. Danach hanteln wir uns durch die Sternexplosionen – Flareausbrüche, Novae, Kilonovae, Supernovae, Hypernovae und GRBs.

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Unser Astronomiekurs vom BRG Kepler war auch heuer wieder am Internationalen Teleskop Treffen (ITT) auf der 1800m hohen Emberger Alm in Kärnten (schöne Eindrücke vergangener Treffen findet man hier). Das 40. Jubiläum des Treffens, und unser 10jähriges Jubiläum, denn 2014 waren wir zum ersten Mal mit dabei – damals noch frierend in Zelten, mittlerweile längst gemütlich in der urigen Dünhofenhütte. Statt strahlendem Herbstwetter erwartete uns allerdings eine Reise in den Winter mit über 30cm Schnee und beständiger Wolkendecke. Dafür nutzten wir die Gelegenheit, die tollen Vorträge zu besuchen und die anwesenden Amateurastronomen zu interviewen! Und am letzten Tag, also Sonntag ab ca. 4 Uhr früh, erlebten die Standfestesten unter uns etwa zwei Stunden wundervollen Sternenhimmel. Impressionen unserer Exkursion gibt’s hier auf unserem flickr-Account!

Bilder von unserem Besuch am 40. ITT findet ihr auf unserem flickr-Account.

Den Schnitt hat diesmal fast zur Gänze unser Astrokursteilnehmer Korbinian erstellt – vielen Dank!

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In dieser Folge geht es um die Ideengeschichte zum Thema Schwarze Löcher. Dazu passend gibt’s auch Space News: ein supermassereiches Schwarzes Loch einer fernen Galaxie schleuderte vor 7,5 Milliarden Jahre große Mengen an Materie und Energie über 10 Millionen Lichtjahre weit hinaus ins All, was Effekte auf die Entwicklung des kosmischen Netzes gehabt haben könnte, so ein Team um Dr. Martijn Simon Soen Liong Oei vom CalTech und Dr. Gabriela Calistro Rivera vom DLR in einem Paper in Nature, zu dem es diese Presseaussendung des DLR gibt.

Die Ideen zur Existenz dunkler Sterne geht zurück bis zur Lichtteilchentheorie von 1704 von Isaac Newton, der annahm, dass Lichtteilchen durch die Schwerkraft abgelenkt werden müssten. Der vielseitige Geologe John Michel (der u.a. die Cavendishwaage erfunden hat, als ersterErdbebenwellen korrekt beschrieben hat und korrekt ein Doppelsternsystem als Ursache der Helligkeitsänderung von Algol vorgeschlagen hat) hat diesen Ansatz weitergedacht und die Existenz dunkler Sterne vermutet, von denen Licht nicht entweichen kann. Pierre Simon de Laplace, der Philosoph und Begründer der Himmelsmechanik, der auch die Nebularhypothese der Entstehung des Sonnensystems gefunden hatte, hatte unabhängig davon die gleichen Ideen. Mit dem Siegeszug der Lichtwellentheorie gerieten diese Ideen in den Hintergrund, bis Einstein mit der Relativitätstheorie eine völlig neue Beschreibung der Gravitation ermöglichte. Karl Schwarzschild fand (an der Kriegsfront des 1. Weltkriegs) als erster eine Lösung zu dieser Theorie - und zwar die Lösung eines so dichten Objektes, dass das Licht nicht daraus entkommen könnte: die moderne Theorie der Schwarzen Löcher war geboren. Eine gute Hinführung zu dieser schwierigen Materie bietet die Abschlussarbeit unseres Absolventen Armin Pfeiffer.

Geniale theoretische Astronomen wie Roger Penrose konnten die reale Möglichkeit der schwarzen Löcher untermauern, und 1972 mit der Entdeckung des Röntgendoppelsterns Cygnus X1 wurde die Wahrscheinlichkeit der Existenz schwarzer Löcher untermauert. Die Wette zwischen den Astromathematikern Steven Hawking und Kip Thorne, ob Schwarze Löcher nun real existieren, wurde 2002 weitgehend durch Reinhard Genzel entschieden, der über die Sternbewegungen im Zentrum unserer Galaxie das supermassereiche schwarze Loch nachweisen konnte – und endgültig am 10. 4.2019 durch das erste Bild eines schwarzen Lochs mit dem Event Horizon Telescope.

Susanne fragt uns, ob Schwarze Löcher auch „überfüllt“ werden können, und Mattis klärt in seiner Antwort gleich grundlegende Fehlvorstellungen im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern auf. Wenn schon was aus schwarzen Löchern verschwindet, dann Masse, die sich bei einer Black-Hole-Kollision in Gravitationswellen umwandelt. Fabian will wissen, was passiert, wenn man in ein schwarzes Loch fällt, und wie das für einen Beobachter aussehen würde, und Lilli macht sich Gedanken über halb „eingesaugte“ Objekte. David E. versucht eine umfassende Antwort mit Hinweis auf ein cooles Video der NASA zum Fall in ein schwarzes Loch.

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In der ersten Folge des neuen Schuljahres (die wir allerdings schon im Juni 2024 aufgezeichnet haben, darum gibts ausnahmsweise keine Space News) präsentiert unser Absolvent Pierre Wustinger-Seefelder seine VWA zu Leben im Sonnensystem – und welche Formen es annehmen könnte, mit Fokus auf die beiden Monde Europa (Jupiter) und Titan (Saturn).

Pierre erzählt zuerst, warum er genau die beiden Monde Europa und Titan für seine Arbeit zur Lebenssuche im Sonnensystem ausgewählt hat. Wir sprechen kurz über den Zwergplaneten Ceres. Und dann stellt David die Frage, ob wir nicht schon Leben von der Erde im Sonnensystem verteilt haben. Könnte schon sein, so robust wie z. B. Bärtierchen sind. Aber uns interessiert jetzt mehr echtes extraterrestrisches Leben, und warum gerade der Mond Europa mit seinem Unterwasserozean, seinen Tiefseequellen und seinen Wechselwirkungen mit seinem Mutterplaneten Jupiter da so interessant ist. Gerade darum sind ja bereits bzw. bald mit JUICE und Europa Clipper zwei Sondermissionen zu ihm unterwegs. Der „Höllenmond“ Io, auf dem es selbst schwerlich Leben geben kann, spielt da eine interessante Rolle.

Wie ausserirdisches Leben überhaupt aussehen könnte oder müsste, hängt wohl sehr von der Umgebung ab, in der es entsteht, wie wir feststellen.

Sucht man nach Leben, weil man weiß, dass es das eigentlich geben müsste, fragt Mahadi. Aber so weit sind wir noch nicht, wir kennen bis jetzt eben nur das Leben auf der Erde und noch kein zweites Beispiel, darum wissen wir überhaupt noch nicht, ob Leben häufig oder extrem selten im Universum vorkommt.

Nach einem Blick auf die kommende NASA-Mission Dragonfly zum Titan überlegen wir noch, auf welchen Elementen Leben aufgebaut sein könnte.

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In unserer vierten Sommerfolge blicken wir zurück auf den Vortrag zu Resonanzen in Planetensystemen von Dr. Szilárd Csizmadia vom DLR Berlin, den er Anfang Mai auf dem 5. KTT gehalten hat. Davor geht’s in den Space News um die private Weltraummission Polaris Dawn und um die Entdeckung, dass vor 3 Millionen Jahren ein Zusammenstoß des Sonnensystems mit einer kalten Gaswolke eine Eiszeit auf der Erde mitverursacht haben könnte. Und im Fragenteil beantworten wir Fragen zum Universum als Ganzem.

Der Milliardär Jared Isaakman, wie Elon Musk durch einen Internet-Bezahldienst zu Reichtum gekommen, ist wie dieser ein echter Weltraum-Enthusiast. Und mit diesem gemeinsam finanziert er die Mission Polaris Dawn, die Ende August mit einer vierköpfigen Crew einen fünftägigen Flug um die Erde samt Weltraumspaziergang in dafür neu entwickelten Raumanzügen von SpaceX absolvieren sollte. Der geplante Start am 28.9.2024 wurde verschoben, und so wussten wir zum Aufnahmezeitpunkt noch nicht, wie es ausgegangen ist.

Stattdessen berichten wir in den Space News von der Entdeckung, dass vor 3 Millionen Jahren das Sonnensystem mit einer kalten Gaswolke zusammengestoßen sein könnte, was möglicherweise eine Eiszeit auf der Erde ausgelöst hat. Professorin Merav Opher von einem Havard-Institut und der Boston University hat dazu in Nature Astronomy ein Forschungspaper veröffentlicht.

In der Hauptsache geht es aber um den Vortrag von Szilárd Csizmadia und den Tanz der Planeten – die Bahnresonanzen in Planetensystemen. Die gibt es in unserem eigenen Planetensystem, aber auch in besonderer Weise z. B. im System Kepler 90 und in dem im letzten Jahr neu entdeckten multiresonanten System um den Stern HD110067. Zum Start wird auch die Geschichte der Erforschung der Planetenbahnen beleuchtet, die kuriose Titius-Bode-Reihe und die Himmelspolizey vorgestellt, und gegen Ende kann man sich anhören, wie das System HD110067 klingt.

Im Frageteil beantworten wir Fragen, die wir von Aron, Niklas, Timea, Alexander, Andreas und Antonia zur Kosmologie bekommen haben, also zum Thema des Universums als Ganzem. Zum Schicksal des Universums hat unsere Absolventin Rilinda Bytyqi eine lesenswerte VWA mit dem Titel „Das Ende von allem“ verfasst.

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Unsere 3. Sommerfolge startet mit kühlem Nass - allerdings etwas unzugänglich, denn es verbirgt sich tief im Marsboden, wie wir in den Space News erzählen.

Und heute beantworten wir eure Fragen! Dabei gehts um den Sommersternhimmel, ob und wie man Planeten in Schubladen steckt, wo und wie uns Satelliten um die Ohren fliegen, Flüge durch Gasriesen, und wie kernig unser Mond ist.

Space News: In der mittleren Kruste des Mars gibts wahrscheinlich jede Menge Wasser, sagen Vashan Wright, Matthias Morzfeld und Michael Manga in diesem Forschungspaper. Auch Welt der Physik hat darüber berichtet.

Wir beantworten diesmal vor allem Fragen, darum sprechen Kathi und Alex heute mit mir über Sommersternbilder und wie man sie findet. Am Handy gibts da Apps wie z. B. Sky Safari, am PC zum Beispiel das Programm Stellarium und die Website In the Sky. Hier kann man sich auch eine drehbare Sternkarte auf den eigenen Wohnort konfigurieren und ausdrucken! Wir haben aber auch Fotos der Sommersternbilder:

David hat eine Frage zu den Arten von Planeten, die von Mahadi ausführlich erklärt wird. Alexander beantwortet eine Frage zu den möglichen Satellitenbahnen; in dem Zusammenhang sprechen wir auch ein bisschen über die neue ESA-Mission EarthCare.

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In der 2. Sommerfolge geht’s wieder um die Forschung zum Weltraumwetter und den tollen Vortrag von Manuela Stadlober-Temmer am 5. KTT. Zuvor gibt’s aber in den Space News Neuigkeiten zu Dunkler Materie, und danach beantworten wir drei Fragen, die wir zum Thema Sonne bekommen haben.

KTT-Insights: Das Weltraumwetter und die Sonne (Manuela Temmer)

Wir haben jetzt einige Beobachtungen des solaren Magnetfeldes an einzelnen Punkten im Sonnensystem. Was ist mit dem Rest? Modelle sind da sehr wichtig und „hot topic“, um die Beobachtungslücken zu füllen.

Sonnenwinde können mehrere Millionen km/h haben! In welche Richtung gehen die Ausbrüche, die man im Coronographen sieht? Zu uns, von uns weg, seitlich? Nicht so einfach festzustellen!

Die schnellsten CMEs erreichen die Erde in weniger als 24h.

Die meisten Magnetfeldlinien auf der Sonne sind geschlossen und gehen schleifenförmig zur Sonne zurück; über offene Magnetfeldlinien können aber Plasmateilchen in den interplanetaren Raum hinausgeschleudert werden. Besonders interessant sind auch koronale Löcher, die sich über eher inaktiven Gebieten bilden und die ein sehr schnelles Hinausströmen der Sonnenausbrüche erlauben.

Das Verstehen des Magnetfelds der Sonne (speziell die z-Komponente, also die in unsere Richtung) ist so etwas wie der heilige Gral der Sonnenwindforschung; verschiedene Orientierungen haben hier verschiedene Effekte auf das Erdmagnetfeld und damit auf die Erde.

Was gibts alles bei Sonnenausbrüchen?

Kombinationen von Beobachtung und Modellen werden verwendet, um die magnetohydrodynamischen Prozesse zu verstehen.

Ähnlich einem Gewehrschuss gibt es einen Trigger, einen Treiber und eine Schockwelle: Schuss (magnetischer Kurzschluss), Patrone (CME), Schallwelle (magnetische Schockwelle, die sich mit einer speziellen Geschwindigkeit („magnetosonic speed“) ausbreitet, viel schneller als der CME selbst).

CMEs wechselwirken auch untereinander, was alles furchtbar kompliziert macht: schnelle Teilchenströme werden durch langsamere zusammengepresst, SIRs bilden sich (stream interface regions).

Wenn CIRs (induzierte Ströme im Erdkörper) und CMEs miteinander interagieren, können sogenannte Ringladungen in niederen Breiten um die Erde auftreten → weit südlich auftretende rote Polarlichter!

Die Effekte starker Sonnenstürme können eine beträchtliche Ausdehnung der Thermosphäre bewirken, die damit stärker in Satellitenbahnen hineinreicht und diese abbremsen kann.

ESA space safety program: https://swe.ssa.esa.int/ionospheric-weather: Registrieren und everyone can Daten über die Ionosphäre erhalten. Realtime!

Uni Graz/TU Graz: SODA (Satellite Orbit DecAy): prognostiziert den Höhenverlust von Satelliten in bestimmten Höhen aufgrund von Sonnenwinden.

Wie weit sind wir in der Space Weather Vorhersage? Bei den Vorgängen an sich gut, beim Zeitpunkt um die 2 Tage daneben → noch kein Produkt, dass man der Industrie anbieten kann.

Wir sind gerade (2024) im Maximum des aktuellen Sonnenzyklus, doch gerade in der 2. Hälfte des Zyklus sind die stärksten Ausbrüche zu erwarten.

Sonnenforschung ist höchst aktuell! Und nicht zuletzt in Graz kann man sehr konkret in diese Richtung auch forschen (Uni, TU, Joanneum Research, IWF)

Nächste Folge:

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Willkommen zu unserer ersten Sommerfolge bei Astronomie am Kepler! Sommerferientauglich geht es diesmal (und auch in der kommenden Folge 16) um die Sonne, genauer gesagt: um das Weltraumwetter, das vor allem aus den geladenen Teilchen besteht, die sie uns (respektive der Erde) um die Ohren haut. Außerdem beantworten wir auch zwei Hörerfragen zum Thema Sonne. Und in den Space News gibt’s ganz aktuelle Forschung zu schwarzen Löchern – aus Potsdam und Köln!

Maximilian Häberle, Doktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie, hat anhand von über 500 Archivbildern des Weltraumteleskops Hubble die Geschwindigkeiten von 1,4 Millionen Sternen im Kugelsternhaufen Omega Centauri bestimmt – der ja vermutlich eher der Kern einer von der Milchstraße verspeisten Kleingalaxie ist. Er entdeckte dabei sieben Sterne mit hohen Geschwindigkeiten und unterschiedlichen Bewegungsrichtungen in der zentralen Region. Diese lassen nur eine Erklärung zu: Der Sternhaufen Omega Centauri enthält in seinem Zentrum tatsächlich ein Schwarzes Loch mit mindestens 8200 Sonnenmassen. Das Forschungspaper dazu ist am [10. Juli 2024](https://www.nature.com/articles/s41586-024-07511-z) in Nature erschienen.

Besonders coole Forschung zu mittelschweren Schwarzen Löchern wurde in The Astrophysical Journal am 18. Juli 2024 veröffentlicht: Ein internationales Team von Forschenden unter Leitung von Dr. Florian Peißker hat die Sterngruppe IRS 13 in nur 0,1 Lichtjahren Entfernung zum supermassereichen Schwarzen Loch Sagittarius A* im Zentrum unserer Galaxie untersucht.

Den Forschenden war aufgefallen, dass die Sterne, die in IRS 13 enthalten sind, sich unerwartet geordnet bewegen. Das liegt zum einen natürlich am nahegelegenen supermassereichen Schwarzen Loch, zum anderen muss es etwas innerhalb des Sternenhaufens geben, damit dieser seine beobachtete kompakte Form behalten kann.

Manuela Stadlober-Temmer, Leiterin des Fachbereichs Astrophysik am Institut für Physik der Uni Graz, hat am 5. KTT einen tollen Vortrag über Weltraumwetter gehalten. Auf Englisch, weshalb ich im Podcast immer wieder auf Deutsch erläutere und ergänze.

Weltraumwetter? Was ist das? Im Wesentlichen die Teilchenströme, die von der Sonne ausgehen.

Teilchen aus dem Magnetschweif der Erde, die durch die Effekte starker Sonnenwinde in unsere Richtung beschleunigt werden, erzeugen die Polarlichter; schön anzuschauen, aber kann auch unsere Technik auf Satelliten und sogar auf dem Erdboden stören: 2003 sind z. B. Transformatoren in Südafrika durchgebrannt, weil durch solche Effekte erzeuge Magnetfelder Spannungsspitzen in Stromleitungen am Boden erzeugten.

Was sind „Weltraumstürme“ und was verursachen sie? Das wird sehr interdisziplinär untersucht:

Die durch Fusion im Kern der Sonne erzeugte Energie irrt über 100.000 Jahre als Strahlung im Stern umher, bis sie schließlich in die Konvektionszone kommt, in der heiß blubbernden Sonnenhülle als Hitze nach oben getrieben wird und schließlich die Sonne verlassen kann. All das ist mit der Erzeugung starker Magnetfeldern verbunden, d.h. wir haben Dynamoeffekte, die z. B. Sonnenflecken erzeugen, die die Quelle für die hochenergetischen Ausbrüche darstellen, die die Sonne verlassen.

Die wichtigsten Effekte fürs Weltraumwetter sind aber die CMEs, bei denen durch magnetische Kurzschlüsse Wolken aus Plasma hinausgeschossen werden, die wiederum Magnetfelder mit sich führen.

Wenn diese Plasmawolken die Erde treffen, verursachen sie viele Effekte: in Richtung Sonne wird das Erdmagnetfeld zusammengestaucht, das sonnenabgewandte Magnetfeld der Erde bekommt einen langen Schweif, und es kommt wieder – so wie auf der Sonne - zu magnetischen Kurzschlüssen, die dann eben z. B. die Polarlichter erzeugen können – und aber eben auch alle anderen Effekte.

Die Daten für die Space Weather Forschung erhalten wir aus Aufnahmen von der Erde aus, Aufnahmen von spezialisierten Weltraumteleskopen (wie etwa das SDO, Parker Solar Probe, Solar Orbiter usw.), Messungen des Sonnenwinds durch Raumsonden an verschiedensten Stellen des Planetensystems (Merkur, Venus, L1, Erde, Mars), von Bepicolombo auf der Merkurbahn bis zu MAVEN im Marsorbit.

Mehr zur Sonne gibt es in der nächsten Folge. Und am Schluss beantworten wir noch Fragen! Mahadi erklärt für Lara, wie die Sonne entstanden ist, und Levi schildert für Kian, warum der Prozess im Kern der Sonne für uns gar keine so gute Energiequelle wäre.

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In AK014 starten wir in den Space News mit der chinesischen Chang'e 6 Mission, die erfolgreich zwei Kilogramm Material von der Rückseite des Mondes auf die Erde gebracht hat.

In der Hauptgeschichte gibts was über neue Forschung zum hellsten Gammablitz (GRB) aller Zeiten, BOAT. Mahadi, Magdalena, Lukas, David und Elisa haben sich mit dem Thema der Gammablitze und ihrer Entdeckung beschäftigt und plaudern mit Norbert darüber.

In WaF antwortet Flora auf Vincents Frage zu extrem dichten Objekten im Universum - und wie das mit den Anziehungskräften ist.

Wir möchten uns hier ganz speziell bei Franzi Konitzer und Karl Urban von AstroGeo bedanken, die uns mit ihrer Folge 82 auf das Thema aufmerksam gemacht und uns damit viele Inputs für unsere heutige Folge geliefert haben. Hört euch die an, die ist super! Dort findet ihr auch viele weitere Informationen und Links zum BOAT. Und ohne diese Folge wären wir nie auf die folgende Forschungsarbeit aufmerksam geworden:

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