Zukunftsvisionen der Astrophysik

BLOG: Astronomers do it at Night

…und auch tagsüber
Astronomers do it at Night

Wer in den letzten Tagen die Nachrichten aus der Welt der extrasolaren Planeten verfolgt hat, bekommt leicht das Gefühl, daß es bis zur Entdeckung des ersten erdähnlichen Exoplaneten mit nachgewiesener Sauerstoff-Stickstoff-Atmosphäre und Anzeichen organischen Lebens nicht mehr allzu lange dauern wird. Die Wissenschaftler sind außerdem guten Mutes, in den nächsten Jahren die Anfänge des Universums, die Entstehung der ersten Sterne und die Bildung der Galaxien ergründen oder die Geheimnisse der Dunklen Materie lüften zu können. Gespannt warten sie daher auf den in wenigen Jahren bevorstehenden Start des Hubble-Nachfolgers James Webb oder die Fertigstellung der Submillimeter-Anlage ALMA. Damit solche Projekte überhaupt verwirklicht werden können, ist vorher zusätzlich zur notwendigen Finanzierung eine oft langjährige Planungs- und Entwicklungsphase erforderlich.

Derzeit im Bau: Das europäisch-amerikanisch-japanische Submillimeter-Observatorium ALMA. Image Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Ganz am Anfang stehen zunächst ersteinmal jede Menge Ideen und Konzepte für neue Instrumente, Satellitenmissionen oder ganze Observatorien, die auf zuvor unerreichte wissenschaftliche Fragestellungen und ungelöste Probleme abzielen. Aus diesem Fundus müssen die vielversprechendsten und reizvollsten ausgewählt werden, während andere weniger interessante oder technisch (noch) nicht realisierbare Projekte zurückgestellt oder ganz abgebrochen werden. Heute muß also hinter den Kulissen schon über die Forschung von übermorgen entschieden werden, indem festgelegt wird welche Projekte später die derzeit noch im Bau befindlichen ablösen werden.

Vor zwei Wochen hat ein aus hochrangigen Astronomen US-amerikanischer Institutionen zusammengesetztes Komitee einen 270 Seiten starken Bericht mit dem Titel "New Worlds, New Horizons in Astronomy and Astrophysics" veröffentlicht, der einen Rahmenplan für die astronomische Forschung in den USA für das Jahr 2020 vorschlägt. Diese neue Roadmap löst das vor zehn Jahren erschienene und nicht weniger ausführliche Vorgängerwerk "Astronomy and Astrophysics in the New Millennium" ab.

Wer einen Blick auf die Empfehlungen der Wissenschaftler aus dem Jahr 2000 wirft, stellt fest, daß sich dort tatsächlich viele der aktuellen oder kurz vor der Vollendung stehenden Projekte wiederfinden. Ganz oben auf der Liste stand damals das Next Generation Space Telescope, das heute den Namen des inzwischen verstorbenen ehemaligen Leiters der NASA, James Edwin Webb, trägt. Wer genau hinschaut, stellt allerdings auch fest, daß es inzwischen sechs mal so teuer geworden ist wie damals veranschlagt. Andererseits gibt es aber auch Missionen, deren Namen inzwischen schon fast wieder in Vergessenheit geraten sind wie der des Terrestrial Planet Finder TPF. Solche Rahmenpläne legen also noch nicht endgültig fest, was verwirklicht wird, stellen aber ein hochkarätiges und sorgfältig ausgearbeitetes Empfehlungsschreiben der Wissenschaft an die finanzgebenden Behörden und Weltraumagenturen dar.

Werfen wir also einen Blick in den neuen Bericht, also die Wunschliste der amerikanischen Astrophysiker für die kommende Dekade. Diesmal wird nach weltraumbasierter und bodengebundener Astronomie unterschieden, außerdem trennt man die vergleichsweise teuren Großprojekte von schneller realisierbareren kleineren.

Ganz oben auf die Liste der Weltraummissionen hat es ein auf den ersten Blick unbeschriebenes Blatt geschafft, das noch nichtmal eine eigene Webseite hat: Das Infrarot-Survey-Teleskop WFIRST. In Wirklichkeit steckt dahinter aber die ehemalige Joint Dark Energy Mission JDEM, und damit ist auch schon eines der Hauptziele dieser Mission gesetzt, die die Arbeit des James-Webb-Space-Telescopes ergänzen soll.

Platz 2 hält die Weiterführung des Explorer-Programms, das bereits seit 1958 läuft und in dessen Rahmen kleinere Satellitenmissionen schnell und effektiv entwickelt und gestartet werden. Explorer hat so erfolgreiche Missionen wie die Missionen COBE und WMAP zur Erforschung der kosmischen Hintergrundstrahlung hervorgebracht, oder auch den Gamma-Ray-Burst-Jäger Swift. Die letzte gestartete Explorer-Mission ist der Wide-field Infrared Survey Explorer WISE, sozusagen der Vorgänger von WFIRST.

Aus zwei mach eins: Derzeitige Konzeptstudie für das International X-ray Observatory IXO, den Nachfolger der aktuellen Röntgesatelliten XMM-Newton und Chandra. Image Credit: NASA

Auf den Rängen 3 und 4 halten sich zwei Konzepte, die bereits im letzten Empfehlungsbericht zu finden waren, die Laser Interferometer Space Antenna LISA und das International X-ray Observatory IXO, ein neues Röntgenobservatorium, das aus der Vereinigung der vorher geplanten Missionen Constellation-X der NASA und XEUS der europäischen Weltraumagentur ESA hervorgegangen ist.

Bei den bodengebundenen Observatorien führt das Large Synoptic Survey Telescope LSST, das schon im vorangegangenen Bericht gelistet ist und mit dessen Bau sogar noch in diesem Jahr begonnen werden soll. Das 8.4m-Teleskop soll nach seiner Inbetriebnahme in fünf Jahren alle drei Tage den Himmel im sichtbaren Licht komplett durchmustern und dabei unzählige Asteroiden und Kometen entdecken, die Eigenbewegungen von Sternen der Milchstraße vermessen, kurzzeitige Ereignisse wie Novae und Supernovae verfolgen und noch vieles mehr. LSST wird ungeheure Datenmengen liefern – 1.28 Petabyte pro Jahr – die teilweise in Zusammenarbeit mit Google für alle frei verfügbar gemacht werden sollen.

Außerdem wird empfohlen, daß sich die USA direkt an einem der zur Zeit unter der Federführung privater Institutionen und Universitäten entwickelten amerikanischen Teleskope der 30m-Klasse, entweder dem Thirty Meter Telescope TMT auf Hawaii oder dem Giant Magellan Telescope GMT in Chile beteiligt. Wer hier genau liest, erkennt, daß in der amerikanischen Forschung ein Umbruch stattfindet: Als Gegenleistung für die staatliche Finanzierung soll nämlich gewährleistet werden, daß die mit dem Teleskop gewonnenen Daten archiviert und frei zugänglich gemacht werden, etwas, daß an vielen amerikanischen Observatorien wie zum Beispiel Keck nach wie vor nicht üblich ist.

Generell scheint den Amerikanern mehr und mehr bewußt zu werden, daß sie an vielen Stellen in der astronomischen Forschung ihre Vorreiterrolle eingebüßt haben und abhängig von Kooperationen mit europäischen Institutionen wie der ESO oder der ESA und anderen Ländern sind. So steht und fällt die Befürwortung von LISA und IXO mit den finanziellen Zusagen der ESA. Entscheidet man sich dort, statt der Gravitationswellenmission lieber das Röntgenobservatorium vorantreiben zu wollen, könnte LISA sogar komplett gestrichen werden. Ein solches Umdenken wäre durchaus nicht unwahrscheinlich, denn die anstehende LISA Pathfinder-Mission muß ersteinmal zeigen, ob die vom Komitee meiner Meinung nach übermäßig euphorisch als nur mäßig riskant eingeschätzte Interferometertechnologie LISAs über große Distanzen tatsächlich technisch realisierbar ist.

Auch die europäischen Astronomen haben Zukunftsvisionen: das 42m-European Extremely Large Telescope E-ELT, dessen Inbetriebnahme bereits für 2018 anvisiert ist, dem aber noch die finanzielle Zusage fehlt. Image Credit: ESO

Durch das ganze Dokument ist eine gewisse finanzielle Zurückhaltung zu spüren, die wohl durch die explosionsartig gestiegenen Kosten für James Webb begründet sein dürfte, die derzeit die NASA praktisch handlungsunfähig machen. Stattdessen setzt man mehr und mehr auf Zusammenarbeit, zum Beispiel was das mögliche Eintauschen von Beteiligungen am europäischen E-ELT der ESO angeht, dessen voranschreitende Planung von Amerika aus offenbar mit gewissem Neid verfolgt wird.

Jedenfalls, die amerikanischen Wissenschaftler haben ihre Wunschliste vorgelegt. Warten wir also gespannt ab, welche Wünsche wahr werden, auch für uns hier in Europa.

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Astronomin in vielerlei Hinsicht, so könnte man mich mit wenigen Worten beschreiben. Da ist zunächst einmal die Astrophysikerin, die an der Hamburger Sternwarte über die Aktivität von Sternen promoviert und dabei hauptsächlich mit den Röntgensatelliten Chandra und XMM-Newton gearbeitet hat, aber auch schon am Very Large Telescope in Chile beobachten durfte. Auslöser ihres beruflichen Werdegangs war ein engagierter Lehrer, dessen Astronomie-AG sie ab der 7. Klasse besuchte. Ungefähr zur selben Zeit erwachte auch die Hobbyastronomin, die anläßlich des Einschlags des Kometen Shoemaker-Levi 9 auf den Jupiter begann, mit einem russischen Feldstecher vom Flohmarkt den Tanz der Jupitermonde zu verfolgen. Heutzutage freut sie sich über jede Gelegenheit, mit ihrem 16-zölligen Dobson tief im Odenwald fernab der Lichter der Rheinebene auf die Jagd nach Deep-Sky-Objekten zu gehen. Und da Amateurastronomen gesellige Wesen sind, treffe ich mich gerne mit Gleichgesinnten, zum Beispiel zum gemeinsamen Beobachten. Auch nach meinem Umzug von der Großstadt Hamburg in das schöne Universitätsstädtchen Heidelberg halte ich engen Kontakt zu meinen Vereinskameraden von der Hamburger Gesellschaft für volkstümliche Astronomie und dem Astronomieverein meiner Jugend, dem Arbeitskreis Sternfreunde Lübeck. Seit einigen Jahren bin ich außerdem in dem Internetforum Astrotreff aktiv, wo ich Teil des Moderatorenteams bin. Um meine Faszination an der Astronomie an andere weitergeben zu können, besonders an Kinder und Jugendliche, habe ich mich seit Jahren in der Öffentlichkeitsarbeit engagiert, habe populärwissenschaftliche Vorträge gehalten und Schülergruppen betreut, die in Hamburg das Institut besucht haben. Diese Leidenschaft habe ich nun zu meinem Beruf gemacht. Hier in Heidelberg arbeite ich in einem kleinen aber feinen Team am Haus der Astronomie. Hiermit lade ich Sie ein, lieber Leser, an all diesen Facetten meines Astronomendaseins teilzuhaben. Mal witzig, mal spannend oder nachdenklich, manchmal auch persönlich oder mit Aha-Effekt. Carolin Liefke

11 Kommentare

  1. ein paar kleine Fragen:

    Ihr blog erinnert mich an eine Frage, die mir beim Lesen eines alten Kosmologiebuchs mal auffiel (als interessierter Laie liest man ja allenfalls gelegentliche Antiquariatsfunde): H. Stephani’s “Allgemeine Relativitätstheorie” stellt (auf S. 190) kurz Killing-Tensoren vor und fährt fort mit der Bemerkung, dass “ein tieferes physikalisches und geometrisches Verständnis” dieser Größen und der dazugehörenden Erhaltungssätze “noch nicht erreicht” worden sei. Ich wüßte natürlich gerne, wie es heutzutage um diese Sachen steht :)) Es wäre toll, wenn Sie dazu etwas schreiben würden!

  2. Von der Astrophysik zur Supersymmetrie

    Ihre Frage hat ein wenig von “Warum kann man die Welt mithilfe bestimmter mathematischer Methoden beschreiben?” Die Killing-Tensoren verknüpfen kompakte und nichtkompakte Lie-Gruppen – aber diese Aussage hilft Ihnen vermutlich beim Verständnis nicht weiter. Wozu braucht man das? Killing-Tensoren finden ihre Anwendung bei der Betrachtung von Symmetrien der Raumzeit. Eine solche Theorie ist die Supersymmetrie, von der man aber tatsächlich noch nicht weiß ob und wenn ja wie sie exakt implementiert ist.

    Hier eine klarere Aussage werden am ehesten noch die Elementarteilchenphysiker machen können, aber auch das erst nach Auswertung der Daten des LHC.

    Wir sind hier allerdings definitiv in einem ganz anderen Gebiet der Physik angekommen, so daß ich neidlos anerkennen muß, daß ich mich dort nicht mehr besonders gut auskenne.

  3. Danke

    “Killing-Tensoren verknüpfen kompakte und nichtkompakte Lie-Gruppen” – die math. Konzepte sind nicht das Problem, sondern die physik. Interpretation der gefundenen Symmetrien usw., wenn die KT’s nichttrivial sind soweit ich mich erinnere. Mich würde interessieren, wie man das etwa bei rotierenden schwarzen Löchern macht.

  4. Konkret?

    Hallo,

    rotierende Schwarze Löcher beschreibt man ja durch die Kerr-Metrik. Es würde für eine Antwort doch sehr helfen, wenn Sie kurz sagen könnten welche Fragestellung Sie konkret interessiert.

    Die Kerr Metrik enthält einen Killing-Tensor, welcher mit einer weiteren Konstante – die man oft “separation constant” nennt – neben den üblichen für ein Testteilchen (Ruhemasse, Energie und axialer Drehimpuls) in Verbindung steht.

    Einen Vorschlag für eine physikalische Interpretation lieferten z.B. de Felice & Preti (Classical and Quantum Gravity, Volume 16, Number 9, 1999 , pp. 2929-2935(7)) vereinfacht gesagt als das Quadrat des totalen Drehimpulses im Unendlichen.

    Viele Grüsse,
    Dominik

  5. @Elsässer + Korrektur:

    Danke für den bibl. Hinweis! Ich glaube, sowas wurde in Stephani’s Buch als Bsp. für einen nichttrivialen Killing-Tensor genannt. Die Korrektur: Ich meine natürlich Erhaltungsgrößen, die *nicht* von Symmetrien herkommen, zumindest wurde die Thematik in dem Buch so eingeführt (‘triviale K-T’s hingegen werden aus K-Vektoren gebildet, die Symmetrien beschreiben, soweit ich das verstanden und noch im Gedächtnis habe). Meine Frage ist, ob es ein allgemeines Interpretationsschema für diese Dinger gibt. Auch wüßte ich gerne, ob in anderen physikalisch interessanten Fällen derartiges auftaucht. Stephani’s Buch hinterliess bei mir übrigens den Eindruck, dass man Lösungen der ART-Gleichungen eigentlich nur per Zufall oder glückliches Raten findet, deren Interpretation dann auch noch ein Extraproblem darstellt (abgesehen von der Frage, ob Lösungen äquivalent sind, stabil sind). Soweit ich das mitbekommen habe, gibt es selbst in der Newton’schen Himmelsmechanik sehr überraschende Lösungen, wenn z.B. mehrere Sterne unter geeigneten Bedingungen umeinander rotieren (leider hab ich den link nicht zur Hand), folglich bin ich neugierig, ob es Überraschungen bei z.B. umeinander rotierenden schwarzen Löchern geben könnte. Dazu wäre es gut, Lösungen etwas systematischer finden/konstruieren zu können, als in Stephani’s Buch (das allerdings uralt ist).

  6. Rechenzeitintensiv

    Hallo nochmal,

    ein solches “allgemeines Interpretationsschema” existiert leider nicht, oder wurde zumindest bis heute nichtmal ansatzweise gefunden. ART in starken Feldern, zumal mit Mehrfachsystemen, “rechnet” bzw. besser simuliert man daher heute mit beträchtlichem numerischen- und CPU – Aufwand auf Supercomputern. Einige der weltweit führenden Arbeitsgruppen gibt es da z.B. in Golm (http://www.aei.mpg.de/)

    Viele Grüsse,
    Dominik

  7. Der Newton-Warp-Drive:

    Zu “sehr überraschende Lösungen in der Newton’schen Himmelsmechanik” der link.

    Noch eine Frage zu ART-Simulationen: Da die genauen Zahlenwerte (jede Delle im Raum) eigentlich nicht so interessant sind wie die allgemeine Struktur, wüßte ich gerne, ob es Verfahren für letzteres gibt (analog zu kohomologischen oder komotopieth. Kalkülen in der Topologie). Zu Killing-Tensoren fällt mir noch ein, dass der Schritt von Killing-Vektoren zu denen und das anschliessende Herausfaktorisieren der “trivialen” Fälle ein bischen wie Kohomologie ausschaut. Gibt es “höhere” oder “derivierte” Killing-Gebilde?

  8. USA und der Rest der Welt

    Es scheint als gäbe es tatsächlich ein Umdenken in Amerika. Endlich wird wohl auch dort gesehen, dass die USA ein Teil der Welt sind und nicht die Welt ein kleines Anhängsel von Amerika ist.
    In der Hoffnung, dass das Umdenken andauert.

  9. Stereotypen?

    Hallo Peter,

    der Trend zu vermehrter Zusammenarbeit hat natürlich mehrere Ursachen. Insbesondere sind viele der heutigen Großprojekte wie zum Beispiel ALMA oder das E-ELT einfach zu kostenintensiv als daß sie von einer Nation alleine getragen werden können. Hinzu kommt natürlich, daß die Wirtschaftskrise überall dafür gesorgt hat, daß man häufiger mal ein Auge auf das Budget wirft als vorher, auch wenn es offiziell heißt, daß Wissenschaft und Bildung als Motoren für einen neuen Aufschwung besonders gefördert werden sollen.

    Man kann aber mit Sicherheit sagen, daß Wissenschaftler generell Vorreiter sind, wenn es um Kooperation geht. Insofern würde ich sagen, daß das Bild der USA als alleinstehende Weltmacht, die nur sich selber sieht und nicht über den Tellerrand hinausschaut, in Wirklichkeit gar nicht so sehr zutrifft, ähnlich wie das im Ausland gepflegte Bild des Deutschen als ewigem Nazi.

  10. konstruktive Kosmologie?:

    Dies läßt befürchten, dass jene Parodie Stanislav Lem’s, der zufolge dies Universum durch gelangweilte Laboranten erzeugt wurde, den Nagel auf den Kopf treffen könnte… Vielleicht schauen Physiker eines Tages ja gar nicht mehr hinaus ins Universum, wenn “Kunstkosmen” irgendwann einfacher handhabbar, zahlreicher wären und Informationen mit dem Original vergleichbaren Wert liefern könnten?

  11. Rasante Entwicklung

    Mit einem Exoplaneten fing es an – und heute geht die Zahl in die Hunderte. Es wird wohl nicht mehr lange dauern – und die Zahl 1000 wir erreicht. Die neue Technik wird dort mit bahnbrechend sein.
    Wissenschaftler stellten fest, dass das Universum 13,7 Milliarden Jahre alt ist. Das Besondere für uns ist aber, dass unserer Galaxis nur um 200 Millionen Jahre jünger sein soll. Das heißt doch auch, dass wir in weniger als 100.000 Lichtjahren ein breites Spektrum von Sonnen mit Planeten und Monden haben, die im Allgemeinen noch bedeutend lichtstärker sind als die in fernen Galaxien.

    Andere erdähnliche Planeten mit Bedingungen für Leben – davon können wir mit Sicherheit ausgehen! Der Universalgelehrte G. Bruno hatte schon 1584 gelehrt [SG]: „Die unzähligen Welten im Universum sind nicht schlechter und nicht weniger bewohnt als unsere Erde.“ Dafür wurde er verbrannt – und die Kirche bedauert es heute.
    Prof. Lesch sagte [KW]: “…dass die Naturgesetze, die wir kennen, überall im Universum gültig sind…” Prof. Kippenhahn stellt zum Leben auf der Erde die weise Frage [KR]: „Begann es überhaupt auf der Erde?“ Dazu müssen wir bedenken, dass die Zeit unseres Sonnensystems seit dem „Urknall“ vor 13,7 Mrd Jahren etwas mehr als dreimal vergangen ist!
    Im Heft Kontakt räumt der Autor ein [SS]: „Ufo-Sichtungen gibt es jetzt seit einem halben Jahrhundert…“ Und dazu passt der Titel von Bild der Wissenschaft 2/2002 nach einer Emnid-Umfrage: 49,7 Prozent der Deutschen glauben an Außerirdische.
    So gesehen lassen sich mit neuen Geräten und Gedanken weitere bahnbrechende Forschungsergebnisse auch in Zusammenarbeit im Wissenschaftsverbund erzielen.

    [SG] Schilling, G.: Planetenjagt bei Epsilon Eridani. Astronomie heute, 07/08 2003, S. 28 – 34
    [KW] Koszudowski, St.; Wingerter, Th.: Nachrichten aus dem Kosmos: Interview mit Harald Lesch. Astronomie heute 5/2006, S. 29 – 30
    [KR] Kippenhahn, R.: Die Psychologie der Außerirdischen. Astronomie heute 5/2006, S. 54 – 55
    [SS] Shostak, S.: Der Tag, an dem die Erde stillsteht. Astronomie heute 5/2006, S. 24 – 28

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