Astronomie und Astrophysik
Astronomie
Forschungsschwerpunkt des Lehrstuhls für Astronomie ist die extragalaktische Astronomie.
Ziel ist es, durch die Untersuchung von Galaxien den Prozess der Strukturbildung als stete Verdichtung der Materie seit dem Urknall unter dem Einfluss der sogenannten „dunklen Materie“ besser zu verstehen. Dabei spielt die Energiefreisetzung von aktiven galaktischen Kernen und Sternen durch ihre Strahlung, ihre stellaren Winde und Supernova-Explosionen eine ebenso wichtige Rolle wie die Wechselwirkung von ausfließendem Gas mit frisch einfallendem Gas aus dem intergalaktischen Raum.
Diese Vorgänge beeinflussen die Verteilung, Zusammensetzung und Kinematik des interstellaren Gases und damit die folgende Generation von Sternen sowie das gesamte Erscheinungsbild von Galaxien. Beobachtungen mit Radioteleskopen, wie dem Very Large Array (VLA) in New Mexico (USA) oder dem neuartigen Low Frequency Array (LOFAR) in Europa, werden für diese Untersuchungen ebenso benutzt wie Messungen von Forschungssatelliten (z.B. Hubble- oder XMM/Newton Teleskope der ESA) oder die europäischen Großteleskope der ESO in Chile. Im Rahmen eines deutschen Konsortiums wird auch an einer Kamera für das größte optische Teleskop der Welt, das Large Binocular Teleskop (LBT) auf dem Mt. Graham in Arizona, mitgearbeitet. Unsere Untersuchungen zur Verteilung kosmischer Magnetfelder sind ein wichtiges Bindeglied zur Hochenergie-Astrophysik.
Astrophysik
Teleskopzeit ist kostbar und steht dem Astronomen – falls er Glück hat – nur für wenige Stunden pro Jahr an einem der großen Observatorien der Welt zur Verfügung. Detaillierte Langzeitbeobachtungen von variablen Objekten oder gar spontane Messungen sind so praktisch ausgeschlossen. Daher hat der Lehrstuhl für Astrophysik ein Observatorium in der chilenischen Atacamawüste auf 2.800 m Höhe errichtet, wo er an einem der besten Standorte der Welt etwa 350 Nächte pro Jahr eigene Projekte durchführen kann. Dabei stehen drei Arbeitsgebiete im Vordergrund:
1. die Entstehung von Sternen,
2. die Suche nach extrasolaren Planeten,
3. die Struktur aktiver galaktischer Kerne.
Bei all diesen Bereichen handelt es sich um variable Phänomene, die nur durch monatelange Beobachtungen studiert und verstanden werden können. Auch ist die physikalische Struktur der Objekte ähnlich – wenn gleich auf unterschiedlichen Größenskalen. Junge Sterne sowie Schwarze Löcher in Galaxienzentren sammeln aus ihrer Umgebung Materie auf und wachsen dadurch. Die Materie strömt dabei nicht direkt, sondern vielmehr über eine Scheibe aus Gas und Staub auf das zentrale Objekt. Im Falle von jungen Sternen bilden sich in dieser Scheibe praktisch immer auch Planeten. Mit fünf Teleskopen, die über das Internet fernbedienbar sind, führen Studierende der RUB und Partner im In- und Ausland gemeinsame Projekte im sichtbaren und infraroten Licht durch.
Beobachtende Kosmologie
Eine der größten Fragen in der Kosmologie heute ist die nach der Ursache für die beschleunigte Expansion des Universums. Ist diese überraschende Eigenschaft des Kosmos ein Hinweis auf eine kosmologische Konstante? Ist eine neue Form von Energie, häufig Dunkle Energie genannt, oder ein neues, noch nicht beobachtetes Teilchen/Feld dafür verantwortlich? Oder ist unsere Theorie der Gravitation, Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, unvollständig? Mit Hilfe verschiedenster Beobachtungstechniken versuchen Kosmologen heutzutage diese Fragen zu beantworten.
Die Forschungsaktivitäten in der Arbeitsgruppe für Beobachtende Kosmologie konzentrieren sich dabei auf die Ausnutzung des schwachen Gravitationslinseneffekts, der potentiell genauesten Beobachtungsmethode zur Erforschung der beschleunigten Expansion. Massen im Universum, wie z.B. Galaxien oder Galaxienhaufen, beeinflussen die Ausbreitung von Licht und agieren somit ähnlich wie optische Linsen. Diese Eigenschaft führt zu winzigen Verzerrungen in den Bildern von Hintergrund-Galaxien, die wir mit Großteleskopen aufnehmen. Die Messung dieser Verzerrungen in Kombination mit einer Messung der Entfernung (Rotverschiebung) der Hintergrund-Galaxien erlaubt es dann Massen im Universum zu messen, d.h. kosmische Objekte zu wiegen.
Diese Messungen werden mit großformatigen Kameras an speziellen Wide-Field Teleskopen aufgenommen. Da es sich um einen sehr kleinen Effekt handelt, müssen große Flächen am Himmel abgebildet werden, um genug Galaxien (viele Millionen) für eine signifikante Messung zur Verfügung zu haben. Zur Zeit benutzt die Arbeitsgruppe hauptsächlich Daten der europäischen Projekte KiDS (Kilo-Degree Survey; http://kids.strw.leidenuniv.nl/) und VIKING (VISTA Kilo-Degree Infrared Galaxy Survey). In Zukunft werden sowohl Daten des LSST (Large Synoptic Survey Telescope) Großteleskops als auch der ESA/NASA Euclid Satelliten Mission verwendet werden.
Plasma-Astroteilchenphysik
In der Hochenergie-Teilchenastrophysik beschäftigen wir uns mit der Suche nach den Quellen der kosmischen Strahlung. Obwohl schon seit 100 Jahren bekannt ist, dass ein kontinuierlicher Strom an geladenen Teilchen auf die Erde einprasselt, ist das Rätsel des Ursprungs immer noch nicht gelöst. Probleme bereiten die Magnetfelder, welche das Universum durchziehen: Sie lenken die geladenen Teilchen von ihrer ursprünglichen Bahn ab, so dass die auf der Erde ankommenden Teilchen aus allen Richtungen ankommen und nicht mehr zu ihren Quellen zurückzeigen.
In Bochum beschäftigen wir uns speziell mit der theoretischen Beschreibung von Wechselwirkung und Propagation der kosmischen Strahlung. In Wechselwirkungen der energetischen Teilchen mit Materie oder Photonfeldern werden neutrale Teilchen – Neutrinos und Photonen – erzeugt. Diese fliegen dadurch, dass sie neutral sind, geradlinig durch das Universum und sie können daher dabei behilflich sein, den Ursprung der kosmischen Strahlung zu identifizieren.
Die kosmische Strahlung selbst kann untersucht werden, indem die Propagation durch die kosmischen Magnetfelder simuliert und mit der beobachteten Teilchenverteilung verglichen wird. Die theoretisch ausgearbeiteten Ergebnisse werden mit aktuellen Messergebnissen von Großinstrumenten der Astroteilchenphysik verglichen. Führende Experimente sind hier unter anderem das IceCube Teleskop am geographischen Südpol und das H.E.S.S. Experiment in Namibia, an welchen die Arbeitsgruppe beteiligt ist.
Multiwellenlängen Astrophysik
Am Lehrstuhl für Multiwellenlängen Astronomie beobachten wir Quellen im Universum mit Licht bei verschiedenen Wellenlängen von Radio bis Gamma-Strahlung. Darüber hinaus öffnen wir neue Fenster zum Universum indem wir Astronomie mit anderen Boten als Licht, nämlich mit hoch-energetischen Teilchen machen. Besonders interessant sind Neutrinos: schwach wechselwirkende Teilchen, ohne Ladung und mit winziger Masse. Neutrinos geben uns Hinweise auf die energiereichsten Quellen im Universum, die in der Lage sind Protonen zu Energien zu beschleunigen, die 100 Millionen mal größer sind als die maximalen Teilchenenergien im LHC am CERN.
Um diese Quellen besser zu verstehen kombinieren wir Beobachtungen des IceCube Neutrino Teleskops am Südpol, mit optischen Daten der Zwicky Transient Facility (ZTF) in Kalifornien, dem Fermi Gammastrahlen-Weltraum-Teleskop und in Zukunft dem Cherekov Telescope Array (CTA) auf La Palma. Darüber hinaus bauen wir ein optisches Teleskop bestehend aus ca. 30 kleinen Teleskopen um den Himmel in polarisiertem Licht zu durchmustern. Die aufgenommenen Daten beschreiben wir mit theoretischen Modellen, um die verantwortlichen physikalischen Prozesse in den Quellen besser zu verstehen.
Erste Quell-Kandidaten, die wir nun näher untersuchen, sind super-massive schwarze Löcher, die ganze Sterne in sogenannten Tidal Disruption Events schreddern oder relativistische Materiejets in unsere Richtung ausspucken (sogenannte Blazare).