Das war Lichtjahre voraus 2019

Bereits seit sieben Jahren laden wir euch einmal im Jahr zu einem Weltraumforschungsabend in die Kölner Zentralbibliothek ein. Forscherinnen und Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) berichten von ihren aktuellen Projekten und beantworten eure Fragen.

„Lichtjahre voraus 2019“ fand im November statt, am Ende jenen Jahres in dem das erste Bild eines Schwarzen Lochs um die Welt ging. Daher reservierten wir einen der Vortragsslots für das Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie, das maßgeblich von deutscher Seite an der Entstehung dieses Bildes beteiligt war. Die anderen beiden Vorträge wurden wie immer vom DLR bestritten und so betrat als erstes Dr. Petra Rettberg die Bühne.

Planetenschutz und Astrobiologie

Dr. Rettberg leitet die astrobiologische Forschungsgruppe des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt und ist Expertin auf dem Gebiet des Planetenschutzes. Ihre beiden Betätigungsfelder sind eng miteinander verzahnt. Als Astrobiologin erforscht sie die Entstehung, Entwicklung und Ausbreitung von Leben im Universum. Wie und unter welchen Umständen hat sich Leben auf unserem Planeten entwickelt? War die Entstehung von Leben ein im Universum einzigartiges Ereignis oder handelt es sich um einen gewöhnlichen Prozess der unter günstigen Bedingungen seinen Lauf nimmt? Die Erde ist bisher die einzige uns bekannte Quelle von Leben und daher das Hauptforschungsobjekt der Astrobiologie. Doch auch andere Himmelskörper unseres Sonnensystems könnten Leben oder Spuren vergangenen Lebens beherbergen, allen voran der Mars und die Eismonde Europa (Jupiter) und Enceladus (Saturn).

Da hierbei eher Leben mikroskopischer Größe gemeint ist, stehen Astrobiologen vor einem Dilemma: An jedem Raumfahrzeug und jedem Messgerät haften die Mikroorganismen unseres Planetens. Wie kann verhindert werden, dass eingeschlepptes organisches Material astrobiologische Missionen behindert und der erste Fund außerirdischen Lebens am Ende doch von der Erde stammt? Um solch ein Falschpositiv zu vermeiden, ist es wichtig, die Kontamination anderer Himmelskörper auf ein Minimum zu reduzieren und kontaminierte Stellen gut zu dokumentieren. Diesbezügliche Maßnahmen wurden bereits in den 50er und 60er Jahren des 20. Jahrhunderts unter der Bezeichnung „Planetary Quarantine“ oder „Planetary Protection“ zusammengestellt und traten ab 1967 in allen Ländern in Kraft, die den Weltraumvertrag der Vereinten Nationen ratifizierten. Für ihre Anpassung an neue wissenschaftliche Erkenntnisse und den Stand der Technik ist das Panel of Planetary Protection (PPP) des Committee on Space Research (COSPAR) zuständig, dem auch Dr. Rettberg angehört. Das Ausmaß der geforderten Planetenschutzmaßnahmen ist abhängig von der astrobiologischen Relevanz des untersuchten Himmelskörpers und der Art der Mission. Für Orbiter sind weniger Maßnahmen vorgesehen als für Lander. Für Missionen zum Erdmond muss weniger beachtet werden als für Missionen zu astrobiologisch interessanten Monden unseres Sonnensystems. So kommen insgesamt 5 Schutzkategorien zustande. Zu den Maßnahmen zählen unter anderem:

  • Planung, Dokumentation und Berichterstattung
  • die Festlegung eines Keimzahlbudgets für die Mission
  • das Inventarisieren verwendeter organischer Substanzen (wie z.B. Polymere)
  • die Montage in Reinräumen bestimmter Reinheitsklassen
  • die Bestimmung und Senkung der mikrobiellen Belastung (Bioburden Control)
  • die Sterilisation von Komponenten
  • das Eindämmen des Rekontaminationsrisikos nach der Montage (z.B. durch den Einsatz von HEPA-Filtern oder die Verwendung von Bioshields)
  • das Senken der Absturzwahrscheinlichkeit (z.B. durch „Trajectory Biasing“, also die Wahl einer Flugbahn die das Ziel verfehlt und die erst während des Anflugs Schritt für Schritt korrigiert wird)

Die höchste Stufe der Planetenschutzmaßnahmen gilt übrigens für unseren eigenen Planeten. Missionen, die von astrobiologisch interessanten Himmelskörpern zur Erde zurückkehren, werden in die Kategorie 5 eingeordnet und müssen strengen Auflagen zum Schutz der irdischen Biosphäre genügen. Das wichtigste Prinzip der Kategorie 5 ist das Aufbrechen der Kontaktkette. Nichts was auch nur Kontakt zu Partikeln solcher Himmelskörper hatte, darf ungesichert zur Erde bzw. zum Erde-Mond-System zurückkehren.

Weiterführende Links:

Ans Ende von Raum und Zeit: erstes Bild eines schwarzen Lochs

Das nächste Thema des Abends wurden oben schon angeteasert: Die erstmalige Abbildung eines Schwarzen Lochs mithilfe des Event Horizon Telescopes (EHT). Den Vortrag hielt der Astrophysiker und EHT-Sekretär Prof. Dr. Eduardo Ros vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Er sprach stellvertretend für über 300 Wissenschaftler*innen von 60 Institutionen in 20 Ländern und Regionen der Welt, denen dieser Durchbruch zu verdanken ist. Begeistert erinnerte er sich an den 10. April 2019, an dem er und einige seiner internationalen Kolleg*innen auf einer simultanen Pressekonferenz in Brüssel, Santiago de Chile, Washington D.C., Shanghai, Taipeh und Tokio den orange-roten Ring eines Schwarzen Lochs der Weltöffentlichkeit präsentierten.

Schwarze Löcher sind Objekte im Universum, deren Masse extrem verdichtet ist. Ein Schwarzes Loch mit der Masse unserer Sonne hätte gerade einmal einen Durchmesser von wenigen Kilometern. Das beobachtete Schwarze Loch mit dem Namen M87* ist allerdings supermassereich mit sage und schreibe mehr als 6 Milliarden Sonnenmassen. Es befindet sich im Zentrum von Messier 87, einer Riesengalaxie die bereits im 18. Jahrhundert entdeckt und vom französischen Astronomen Charles Messier katalogisierte wurde. Nach den ersten Erfolgen der Radioastronomie in der 1930er Jahren, entdeckte man in den 40ern eine starke Quelle von Radiowellen (also langwellige elektromagnetische Strahlung jenseits von Infrarot) aus Richtung Messier 87. Diese Quelle erhielt den Namen „Virgo A“ und konnte später zweifelsfrei der Galaxie zugeordnet werden. Und genau diese Radiowellen sind es auch, die nun eine Abbildung des Schwarzen Lochs ermöglichten. Zuvor hatte es von Schwarzen Löchern nur Simulationen und künstlerische Darstellungen gegeben. Nicht zuletzt im Science-Fiction-Film „Interstellar“, der dank wissenschaftlicher Beratung akkurat den Stand der Forschung wiedergab, auch wenn aus ästhetischen Gründen auf den Doppler-Effekt verzichtet wurde. Wer nach dieser Hochglanz-Animation eine gewisse Enttäuschung beim Anblick des verschwommenen orange-roten Rings verspürt, darf nicht die wissenschaftliche Meisterleistung aus den Augen verlieren, die hinter dieser ersten Abbildung steckt. Die Galaxie Messier 87 ist nämlich 55 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Zum Vergleich ein paar andere Distanzen:

  • Distanz Erde – Sonne: ca. 8,3 Lichtminuten
  • Distanz Erde – nächster Stern unserer Galaxie: ca. 4,2 Lichtjahre
  • Distanz Erde – nächste Galaxie: ca. 2,5 Millionen Lichtjahre

Seine enorme Entfernung macht das supermassereiche Schwarze Loch an unserem Sternenhimmel zum Winzling. Das was auf dem Bild zu sehen ist, nimmt an unserem Himmel gerade einmal etwa 40 Mikrobogensekunden ein. Das ist als ob man mit einem Teleskop versuchen würde, eine Orange auf dem Mond aufzuspüren.

Warum fiel die Wahl also auf M87*? Gab es kein näherliegendes Schwarzes Loch? Tatsächlich ist auch das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie Teil des Projekts. Doch an seiner Abbildung wird aktuell noch gearbeitet, denn seine „Nähe“ ist kein ausreichender Vorteil. Unser Schwarzes Loch ist sehr viel kleiner als M87* und versteckt sich im interstellaren Medium unserer Galaxie. Dadurch war die Qualität der Messdaten bei M87* besser.

Aber warum konnte das Schwarze Loch überhaupt abgebildet werden? Sorgt seine stark komprimierte Masse nicht für Gravitationskräfte, denen selbst Licht nicht entkommt? Was auf den Bildern des Event Horizon Telescopes zu sehen ist, ist nicht das Schwarze Loch an sich, sondern die Auswirkungen seiner massiven Anziehungskraft auf seine Umgebung. Das Schwarze Loch zieht Materie an, die auf ihrem Weg eine flache, um das Schwarze Loch rotierende Scheibe formt: die sogenannte Akkretionsscheibe. Mit einem Radioteleskop betrachtet, umgibt diese Scheibe das Schwarze Loch wie ein orange-roter Rahmen.

Doch für ein Bild, das hochauflösend genug ist, um diesen Ring und sein schwarzes Zentrum zu zeigen, braucht man ein Teleskop, das größer ist als jedes jemals gebaute Teleskop. Man braucht ein Teleskop, dass so groß ist wie die Erde. Und mit diesem Teaser übergebe ich an Prof. Dr. Eduardo Ros:

Weiterführende Links:

Das HP3-Experiment der Mars-Mission InSight

Zum Ende des Abends führte uns Christian Krause auf den Mars. Der Physiker ist dem ein oder anderen sicher noch als Operations Manager des Asteroiden-Landers Mascot bekannt. Auch bei seinem aktuellen Projekt handelt es sich um einen Lander, doch dieser befindet sich auf dem Mars. Unseren Nachbarplaneten haben bis zum heutigen Tag schon über 40 Weltraummissionen angesteuert. Nach einigen erfolgreichen Flybys in den 60er Jahren gelangen in den 70er Jahren die ersten Orbiter- und Lander-Missionen. In den 90ern folgte der erste Rover.  Nur ins Innere des Mars war bisher noch keine Mission vorgedrungen. Wie ist der Planet aufgebaut? Welche Unterschiede und Gemeinsamkeiten gibt es mit der Erde? Welche Rückschlüsse auf die Entstehung der terrestrischen Planeten lassen sich ziehen? Diesen Fragen widmet sich der InSight-Lander der NASA, der im November 2018 auf dem Mars landete. An Bord befinden sich die Experimente RISE, SEIS und HP³.

Das RISE-Experiment untersucht durch die präzise Ortung des Landers die Taumelbewegungen des Planeten. Die Schwankungen der Rotationsachse ermöglichen Rückschlüsse auf die Größe und Dichte des Marskerns. Im Rahmen des SEIS-Experiments konnte zum ersten Mal ein Seismometer direkt auf dem Marsboden abgesetzt werden. Während es seismische Wellen von Marsbeben und Meteoriteneinschlägen aufzeichnet, sorgen Windsensoren, atmosphärische Sensoren und ein Magnetometer dafür, dass Einflüsse aus der direkten Umgebung des hochsensiblen Seismometers nicht fehlinterpretiert werden.

Das Experiment „Heat Flow and Physical Properties Package“, kurz HP³, wurde vom DLR beigesteuert. Es soll ermitteln, wie viel Wärme aus dem Inneren des Planeten an die Oberfläche fließt. Ein solcher Wärmefluss beruht zum einen auf den Abkühlungsprozessen, die seit der Entstehung des Planeten im Gange sind, und zum anderen auf dem Zerfall radioaktiver Elemente. Da die Messpunkte in unterschiedlichen Tiefen liegen müssen, verfügt der Lander über einen elektromechanischen „Maulwurf“. Es handelt sich um eine 40cm lange Ramme, die sich mit einem internen Schlagmechanismus bis zu fünf Meter tief in den Boden hämmert und dabei ein Band von Wärmesensoren hinter sich herzieht. Alle 50 cm pausiert der Maulwurf für drei Marstage. In dieser Zeit wird der Maulwurf mittels Heizfolien mit konstanter Leistung erhitzt, während gleichzeitig seine Temperatur gemessen wird. Die Geschwindigkeit mit der die Temperatur der Ramme steigt, ermöglicht Rückschlüsse auf die Wärmeleitfähigkeit des Bodens rund um den Maulwurf. Beim Erreichen einer Bodentiefe von drei bis fünf Metern stoppt der Maulwurf endgültig. Die aneinandergereihten Wärmesensoren messen nun zwei Jahre lang die Bodentemperatur. Zusammen mit der zuvor ermittelten Wärmeleitfähigkeit lässt sich so der Wärmefluss aus dem Marsinneren Richtung Oberfläche ermitteln. Ein Infrarot-Radiometer am Lander begleitet das Experiment mit Messungen der Strahlungstemperatur der Marsoberfläche. Außerdem wird mithilfe des Radiometers die thermische Trägheit des Oberflächenmaterials ermittelt, indem z.B. während einer Sonnenfinsternis gemessen wird, wie schnell der Boden bei geringerer Sonneneinstrahlung abkühlt.

Soweit zu den Plänen. Der bisherige Verlauf des Experiments zeigt wie herausfordernd Lander-Missionen sind: Viele unbekannte Faktoren, keine Live-Steuerung und ein stark reduziertes Angebot an Utensilien für die Problemanalyse und Problembehebung. Als der Maulwurf am 1. März 2019 seine Arbeit aufnahm, konnte er nicht vollständig in den Marsboden eindringen und geriet in Schieflage. Was war passiert? Hatte er sich in der Stützvorrichtung verklemmt, die ihn an der Oberfläche in der Vertikalen hielt? War er auf einen Stein gestoßen? Waren die ersten Bodenschichten härter als vermutet? Glücklicherweise verfügt der Insight-Lander über einen robotischen Arm mit Greifer, Schaufel und Kamera. Mithilfe des Greifers hob man die Stützvorrichtung beiseite. Zwar lugte der Maulwurf nur noch ein paar Zentimeter aus dem Boden, doch das Bohrloch hatte einen doppelt so großen Durchmesser wie die Ramme und zeugte von einer Duricrust, einer harten verkrusteten Materialschicht. Egal wie der Boden weiter unten beschaffen war: Ein solches Bohrloch bot dem Maulwurf nicht genug Reibung, um weiter vorzudringen. Zunächst versuchte man mit der Schaufel des Roboterarms die Ränder des Lochs zum Einsturz zu bringen, doch die Kruste gab kaum nach. Dann übte man seitlichen Druck auf die Ramme aus, um ihr die nötige Reibung zu verschaffen. Fast war der Maulwurf im Boden verschwunden, doch als man die Schaufel wegnahm und ihn weiterhämmern ließ, katapultierten ihn seine Hammerstöße wieder in die Höhe. Am Tag des Vortrags hatte man sich bereits wieder etwas in die Tiefe vorgearbeitet, aber der Maulwurf war noch immer auf den Kamerabildern zu sehen. Wie es seitdem weiterging, kann man im Blog der HP³-Mission auf Deutsch und Englisch nachlesen.

Weiterführende Links:

Nach den Vorträgen ist vor der Verlosung: Gespannt hatte das Publikum auf die Ziehung gewartet und wurde nun unter anderem mit Tassen, Frisbees und Mouse-Pads vom DLR, Leuchtkullis von @DLR_next, Büchern über Astrofotografie vom O’Reilly-Verlag und einer Führung durch den Kölner DLR-Standort belohnt.

Wie immer an dieser Stelle ein ganz ganz lieber Dank an das DLR, an unsere drei Vortragenden und dieses Mal natürlich auch an das Max-Planck-Institut für Radioastronomie! Und mea culpa für die späte Veröffentlichung: Veranstaltungen sind (leider) nur ein kleiner Teil unserer Aufgabengebiete in der Stadtbibliothek Köln und in den letzten Monaten fehlte aus den unterschiedlichsten Gründen bisher die Zeit.

Aber: Wir werden in Kürze wieder von uns hören lassen, denn auch dieses Jahr gibt es im MINT-Festival der Stadtbibliothek eine Veranstaltung unserer geeks-Reihe. Diesmal ist es kein Science Slam. Lasst euch überraschen und blockiert schon mal den 21. Oktober in euren Kalendern! :)

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(ba)

2 Antworten zu “Das war Lichtjahre voraus 2019

  1. Pingback: Lichtjahre voraus 2020 (Online-Edition am 9. Dezember 2020) | geeks@cologne·

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