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10 Möglichkeiten, wie ein Projekt die Seele des Universums offenbart
Das Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA), die leistungsfähigste Sammlung von Radioteleskopen der Welt, wird auf dem Chajnantor-Plateau im Norden Chiles errichtet. In einer Höhe von 5.000 Metern ist er höher als die dicksten Schichten der Erdatmosphäre.
Mit diesen Teleskopen können wir Wellenlängen entschlüsseln, die länger sind als optisches Licht. Dadurch werden Licht (oder Farben) sichtbar, die wir mit unseren eigenen Augen nicht sehen können. Aber ALMA, was "Seele" bedeutet, ist auch eine Zeitmaschine. Es blickt in die Vergangenheit, um wissenschaftliche Theorien darüber zu überprüfen, wie sich das Universum vor über 13 Milliarden Jahren gebildet hat. Sie treibt uns auch in die Zukunft, wenn wir nach neuen Welten und nach dem außerirdischen Leben suchen, das sie bewohnt.
Empfohlene Foto-Gutschrift: C. Ponton / ESO10Das Lebensmolekül
In der riesigen Gaswolke Sagittarius B2 in der Nähe des Zentrums unserer Galaxie hat ALMA zum ersten Mal im interstellaren Raum ein wasserstoffreiches, kohlenstoffhaltiges Molekül entdeckt, das mit denjenigen zusammenhängt, die wir für das Leben auf der Erde benötigen. Diese Entdeckung bedeutet, dass interstellare Moleküle wie diese in der fernen Vergangenheit auf die Erde gekommen sind, um das Leben hier zu beginnen. Es deutet auch an, dass außerirdisches Leben auf Kohlenstoffbasis an anderen Orten im Universum existieren kann.
Molekülwolken wie Sagittarius B2 sind als „Sternenkindergärten“ bekannt, da sich ihre kompakten Bereiche aus Gas und Staub gut zur Erzeugung von Sternen eignen. Bis jetzt bestanden alle im interstellaren Raum entdeckten organischen Moleküle aus einer geraden Kette von Kohlenstoffatomen. In Sagittarius B2 fand ALMA ein neues Molekül, Isopropylcyanid, mit einer verzweigten Kohlenstoffstruktur wie in Aminosäuren. Aminosäuren sind die Bausteine des Proteins, die Schlüsselkomponenten des Lebens auf der Erde sind.
Diese Entdeckung legt nahe, dass die Moleküle, die für das Leben, wie wir es kennen, benötigt werden, entstehen, wenn sich Sterne bilden, lange bevor Planeten wie die Erde existieren. Isopropylcyanid war in Sagittarius B2 reichlich vorhanden, so dass verzweigte Moleküle im interstellaren Raum häufig sind. Astronomen hoffen, dort auch Aminosäuren zu finden.
9Die verschmelzenden Galaxien
Gewalttätige Fusionen zwischen Galaxien sind durchaus üblich. Aber ihre Sterne und Sonnensysteme kollidieren nicht wirklich. Stattdessen gehen diese Galaxien wie Geister durch, weil ihre Sterne zu weit voneinander entfernt sind, um sie zu berühren.
Eine Fusion führt zu einer rasanten Formation neuer Sterne zusammen mit dem Chaos der Schwerkraft. Es wurde lange angenommen, dass dies die ursprünglichen Galaxiestrukturen zerstörte und sie durch eine massive elliptische Galaxie ersetzt, die wie ein amerikanischer Fußball geformt ist. Dies sollte auch dann geschehen, wenn es sich bei den beiden ursprünglichen Galaxien um Scheibengalaxien handelte - wie unsere Milchstraße - mit abgeflachten kreisförmigen Gas- und Staubbereichen.
Das ist die vorherrschende Weisheit, seit Computersimulationen in den 70er Jahren durchgeführt wurden. Neuere Simulationen widersprachen diesen Ergebnissen, was darauf schließen lässt, dass einige Galaxienfusionen Scheibengalaxien bilden können. Die Wissenschaftler hatten jedoch keinen Beweis dafür.
Nun haben jedoch ALMA und andere Radioteleskope der Raucherpistole 24 beobachtete Galaxien zur Verfügung gestellt, die Fusionen zur Bildung von Scheibengalaxien durchgemacht haben. Das sind 65 Prozent der 37 Galaxien, die von einer internationalen Forschungsgruppe unter der Leitung von Junko Ueda von der Japan Society for Science of Science befragt wurden.
Wie Ueda sagte: „Wir wissen, dass die Mehrheit der Galaxien im weiter entfernten Universum auch Scheiben hat. Wir wissen jedoch noch nicht, ob Galaxiefusionen auch für diese verantwortlich sind oder ob sie durch kaltes Gas entstehen, das allmählich in die Galaxie fällt. Vielleicht haben wir einen allgemeinen Mechanismus gefunden, der in der gesamten Geschichte des Universums gilt. “
8Exzentrische und geneigte Umlaufbahnen von Exoplaneten
Einige Exoplaneten, Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, umkreisen ihre Sterne in einer stark gestreckten oder ovalen Form (exzentrische Umlaufbahn) oder in einem stark geneigten Winkel vom Äquator ihres Sterns (geneigte Umlaufbahn). Um herauszufinden, warum dies in binären Systemen geschieht, in denen zwei Sterne sich gegenseitig umkreisen, verwendeten Wissenschaftler ALMA, um HK Tauri zu betrachten, ein junges binäres System in der Taurus-Konstellation.
Um zu verstehen, was ALMA macht, ist es hilfreich zu wissen, wie Sterne und Planeten hergestellt werden. Wenn eine Wolke aus interstellarem Gas durch die Anziehungskraft der eigenen Schwerkraft in sich zusammenbricht, wirbelt sie immer schneller, bis sie zu einer Scheibe platt wird. In der Mitte dieser Scheibe bildet sich ein Protostar wie ein Embryo im Mutterleib. Wenn die Kerntemperatur des Protostars hoch genug ist, um Kernreaktionen auszulösen, entsteht ein neuer Stern. In etwa 90 Prozent der Zeit rotieren Gas und Staub von der Geburt des Sterns in einer protoplanetaren Scheibe um den neuen Stern. Das Material auf dieser Scheibe kann sich schließlich zu Planeten, Monden und anderen Objekten entwickeln.
Wenn die beiden Sterne und ihre protoplanetaren Scheiben in einem binären System nicht auf derselben Ebene kreisen (was bedeutet, dass sie „falsch ausgerichtet“ sind), können sich neue Planeten mit sehr exzentrischen oder geneigten Bahnen bilden. Eine Theorie, der Kozai-Mechanismus, besagt, dass die Gravitation eines zweiten Sterns den Planeten des ersten Sterns diese sonderbaren Umlaufbahnen gibt.
ALMA bestätigte diese Theorie mit HK Tauri. Der schwächere Stern, HK Tauri B, hat eine protoplanetare Scheibe, die die Blendung des Sternenlichts blockiert, so dass die Scheibe im sichtbaren Licht gut sichtbar ist. Die protoplanetare Scheibe des HK Tauri A ist jedoch so geneigt, dass das blendende Licht ihres Sterns diese Scheibe im sichtbaren Licht nicht sehen kann. ALMA hat beide Scheiben im Millimeterwellenlicht leicht erkannt und zeigt, dass sie um mindestens 60 Grad zueinander versetzt sind. Mindestens eine Scheibe befindet sich nicht auf derselben Ebene wie die Umlaufbahnen der beiden Sterne.
Dies erklärt zwar nicht jeden seltsamen Exoplaneten-Orbit im Universum, es zeigt jedoch, dass die Bedingungen, unter denen der Exoplaneten-Orbit verzerrt werden kann, vorliegen können, wenn sich dieser Planet in einem binären System ausbildet.
7Die Planeten bildenden Lebensadern
In einem System mit mehreren Sternen, das als GG Tau-A in der Taurus-Konstellation bekannt ist, hat ALMA Gas und Staub entdeckt, die in einem Strom fließen. Der Strom fließt von einer immensen äußeren Scheibe, die das gesamte Sternensystem umgibt, zu einer kleineren inneren Scheibe, die nur den zentralen Hauptstern umgibt. Es sieht aus wie ein Rad in einem Rad.
Die Wissenschaftler waren sich vor ALMA dieser inneren Scheibe bewusst, konnten aber nicht erklären, wie die innere Scheibe überlebt hatte. Sein Material wurde von seinem Zentralstern so schnell erschöpft, dass die Scheibe längst verschwunden sein sollte. Dann entdeckte ALMA dieses nie zuvor gesehene Phänomen: Gasklumpen im Bereich zwischen den beiden Scheiben, die als Lebensader wirken, indem sie Material von der äußeren Scheibe transportieren, um die innere Scheibe zuzuführen. Die innere Scheibe kann daher viel länger überleben, wodurch sie die Chance hat, Planeten zu entwickeln, die um den Zentralstern kreisen.
Wenn andere Mehrfachsternsysteme über diese Lebenslinienstrukturen verfügen, um protoplanetare Scheiben zu speisen, haben wir in Zukunft mehr Möglichkeiten, nach Exoplaneten - und außerirdischem Leben - zu suchen.
6Der Bumerang-Nebel
In 5.000 Lichtjahren Entfernung von der Erde gewinnt der Boomerang-Nebel in der Konstellation Centaurus den Preis für das kälteste bekannte Objekt im Universum. Seine Temperatur beträgt nur 1 Kelvin, was -272 Grad Celsius (-458 ° F) entspricht. Das ist noch kälter als der kosmische Mikrowellenhintergrund, der mit 2,8 Kelvin die natürliche Hintergrundtemperatur des Weltraums ist.
Die Wissenschaftler untersuchten die kalten Eigenschaften des Boomerang-Nebels mit ALMA. Dabei entdeckten sie auch die tatsächliche Form des Nebels. Früher haben optische Teleskope den Nebel im sichtbaren Licht als Fliege mit zwei überlappenden Bumerangs dargestellt. ALMA konnte jedoch Wellenlängen des Lichts visualisieren, die zuvor durch ein dickes Staubband verdeckt wurden, das den Stern im Nebel umgibt. Es stellte sich heraus, dass der Nebel eine viel breitere Form hat, die sich schnell ausdehnt.
Astronomen entdeckten auch, warum der Bumerang-Nebel so kühl ist. Ihr zentraler Stern stirbt. Dadurch wird ein schneller Gasstrom vom Stern erzeugt, der den Nebel gleichzeitig ausdehnt und abkühlt, ähnlich wie ausdehnendes Gas einen Kühlschrank kühlt. Wenn sich die Gasexpansion verlangsamt, wird die äußere Hülle des Nebels wärmer. "Dies ist wichtig für das Verständnis, wie Sterne sterben und zu planetarischen Nebeln werden", sagt Raghvendra Sahai vom Jet Propulsion Laboratory der NASA. "Mit ALMA konnten wir buchstäblich und im übertragenen Sinn die Todesursachen eines sonnenähnlichen Sterns neu beleuchten."
5The Space Blob
Dieser Befund von ALMA ist spannend wegen der Teleskope nicht sehen. Aber fangen wir mit dem an, was unsere Teleskope gesehen haben.
Im Jahr 2009 entdeckten Astronomen eine glühende heiße Gasblase, die mehr als 55.000 Lichtjahre umfasst. Sie nannten es "Himiko" nach einer legendären japanischen Königin. Fast 13 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt und angesichts der Zeit, die das Licht für die Entfernung benötigt, sahen die Wissenschaftler Himiko zu einer Zeit, als das Universum nur 6 Prozent seiner derzeitigen Größe betrug. Es schien viel zu groß und mächtig für seine Zeit.
Mit dem Hubble-Weltraumteleskop und ALMA konnten Astronomen einiges des Rätsels lösen. Hubble enthüllte, dass Himiko aus drei Sternklumpen besteht, von denen jede die übliche Größe einer leuchtenden Galaxie aus dieser Zeit hat. Diese drei Klumpen bilden Sterne mit einer erstaunlichen Rate von ungefähr 100 Sonnenmassen pro Jahr. Richard Ellis vom California Institute of Technology erklärt: „Dieses äußerst seltene Dreifachsystem, das zu einem Zeitpunkt gesehen wurde, als das Universum erst 800 Millionen Jahre alt war, bietet wichtige Einblicke in die frühesten Stadien der Galaxienentstehung während einer Zeit, die als" Cosmic Dawn "(Kosmische Morgenröte) bezeichnet wird Universum wurde zuerst in Sternenlicht getaucht. Noch interessanter scheinen diese Galaxien in einer einzigen riesigen Galaxie zu verschmelzen, die sich schließlich zu einer Art Milchstraße entwickeln könnte. “
Aber hier sind die Astronomen, die sich am Kopf kratzen. In einem Gebiet mit einer solchen aktiven Sternentstehung sollten Staubwolken aus schweren Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Silizium entstehen. Bei Erwärmung durch Sternenlicht erzeugen diese Elemente Radiowellenlängen, die ALMA aufnehmen kann. ALMA hat jedoch keine signifikanten Funkwellen erkannt. Es wurde auch kein gasförmiger Kohlenstoff nachgewiesen, der auch mit der wütenden Sternentstehung zusammenhängt.
Stattdessen glauben Astronomen, dass Himikos interstellares Gas aus Wasserstoff und Helium besteht. Dies bedeutet wahrscheinlich, dass wir eine Urgalaxie sehen, die sich kurz nach dem Urknall bildet.
4Die Supernova-Staubfabrik
Ohne Staub würde keiner von uns existieren. Staub ist entscheidend für die Bildung von Sternen und Planeten. Wir wissen, dass das Universum damit gefüllt ist, aber die Wissenschaftler waren sich nicht sicher, wie sich Staub im frühen Universum gebildet hat.
Heutzutage kommt der größte Staub im Universum von Sternen aller Größen, wenn sie sterben. Aber im frühen Universum waren nur gewaltige Sterne zur Supernova geworden. Dies machte etwas Staub aus, aber scheinbar nicht annähernd genug für die großen Mengen, die in fernen, jungen Galaxien beobachtet wurden. Dann untersuchten Astronomen die Überreste von Supernova 1987A mit ALMA und fanden die Antwort auf den fehlenden frühen Staub.
Wie der Name andeutet, explodierte SN 1987A 1987 etwa 168.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Die Wissenschaftler erwarteten, dass große Mengen an Staub als Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Siliciumatome in der Mitte des Kühlgases durch die Explosion gebunden werden. Mit den Teleskopen der damaligen Zeit sahen sie nur wenig heißen Staub. Aber als sie ALMA verwendeten, entdeckten sie eine Staubwolke mit einer Masse von 25 Prozent unserer Sonne.Mit der Fähigkeit von ALMA, die Millimeter- und Submillimeter-Wellenlängen aufzudecken, in denen der (viel reichlichere) kalte Staub hell leuchtet, wurde das Rätsel gelöst.
"Wirklich frühe Galaxien sind unglaublich staubig und dieser Staub spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Galaxien", sagt Mikako Matsuuro vom University College London. „Heute wissen wir, dass Staub auf verschiedene Weisen entstehen kann, aber im frühen Universum muss das meiste davon aus Supernovae stammen. Wir haben endlich direkte Beweise, um diese Theorie zu stützen. “
3Der Todesstern der Orion
In der überfüllten Sternenkultur des Orionnebels lauern Planetenkiller.
Wie bereits erwähnt, bieten große molekulare Gas- und Staubwolken wie der Nebel eine hervorragende Umgebung für die Erzeugung von Sternen und Planeten. Es gibt aber auch ältere Sterne vom Typ O im Orionnebel, die weitaus massiver sind als unsere Sonne und Oberflächentemperaturen von 50.000 Kelvin oder mehr haben. Diese O-Stars haben die Kraft des Lebens und des Todes über sich entwickelnde Planetensysteme in ihrer Region. Wenn diese massiven, kurzlebigen O-Stars zu einer Supernova werden, glauben die Wissenschaftler, dass die Explosionen Gas- und Staubwolken erzeugen, die die nächste Runde von Sternen und Planeten bilden werden. Während diese O-Sterne leben, können sie protoplanetare Scheiben zerstören, wenn diese embryonalen Sonnensysteme zu nahe kommen.
Mit der Fähigkeit von ALMA, Objekte zu sehen, die durch Staub verborgen sind, können Astronomen die doppelte Anzahl bekannter protoplanetärer Scheiben im Orionnebel visualisieren. Die Daten zeigen, dass, wenn junge Sterne ein Zehntel eines Lichtjahres eines O-Sterns erreichen, die intensive ultraviolette Strahlung die protoplanetare Scheibe des jungen Sterns abstreift, bevor sich Planeten bilden können. Diese extreme elektromagnetische Strahlung drückt die betroffenen jungen Sterne oft in Tränenform.
2Das Event-Horizont-Teleskop
Mitte 2014 installierten Wissenschaftler eine hochpräzise Atomuhr am Array Operations Site von ALMA, um ALMA mit einem globalen Netzwerk von Radioteleskopen zu synchronisieren. Dies war Teil eines Prozesses zur Bildung eines erdgroßen Instruments namens Event Horizon Telescope (EHT). "Das Event Horizon Telescope vereint die weltweit modernsten Radiogeräte im Millimeter- und Submillimeter-Wellenlängenbereich und schafft ein grundlegend neues Instrument mit der höchsten jemals erzielten Vergrößerungsleistung", sagte Shep Doeleman vom MIT Haystack Observatory. "Durch ALMA verankert, wird der EHT ein neues Fenster zur Black-Hole-Forschung öffnen und einen der einzigen Orte im Universum in den Fokus rücken, an denen Einsteins Theorien zusammenbrechen könnten: am Ereignishorizont."
Der Ereignishorizont ist eine theoretische Grenze, die ein schwarzes Loch umgibt, das den Punkt ohne Wiederkehr darstellt, an dem nichts - nicht einmal Licht - der Schwerkraft des Lochs entgehen kann. Mit dem EHT wollen Wissenschaftler herausfinden, ob tatsächlich ein Ereignishorizont am supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße existiert. Es wird vermutet, dass dieses Schwarze Loch, Schütze A *, die Masse von ungefähr vier Millionen Sonnen in ein unglaublich kleines Gebiet packt.
Um die allgemeine Relativitätstheorie von Einstein weiter zu prüfen, scannt der EHT Schütze A * nach einem Schatten, einem dunklen Bereich, in dem das Schwarze Loch Licht verschluckt hat. Da Form und Größe des Schattens durch Spin und Masse von Sagittarius A * bestimmt werden, könnten die EHT-Daten Aufschluss darüber geben, wie sich Raum und Zeit in dieser Umgebung verziehen.
Astronomen möchten auch die Kollision von Sagittarius A * mit G2, einer riesigen Gas- und Staubwolke, beobachten, um zu sehen, wie sich dies auf das Schwarze Loch und unsere Galaxie auswirkt. Diese Kollision dauert mehr als ein Jahr.
1Die Geburt eines Sonnensystems
Anfang November 2014 gab uns ALMA die erste detaillierte Ansicht der Planeten, die sich in einer protoplanetaren Scheibe um einen jungen, sonnenähnlichen Stern bildeten. Der Stern war HL Tau, in der Taurus-Konstellation etwa 450 Lichtjahre von der Erde entfernt. Dieses erstaunlich klare Bild zeigt die Geburt eines neuen Sonnensystems und bietet auch ein Fenster zu unserer Vergangenheit, indem es zeigt, wie sich unser eigenes Sonnensystem vor über vier Milliarden Jahren gebildet haben könnte.
Im sichtbaren Licht verbirgt sich HL Tau hinter einer riesigen Gas- und Staubwolke. ALMA war jedoch in der Lage, bei viel längeren Wellenlängen zu scannen, um durch den Staub bis zum Kern der Wolke zu blicken, wo die Aktivitäten zur Planetenbildung stattfanden. Das neue Image von ALMA bestätigte eine gewisse wissenschaftliche Theorie über die Planetenentstehung.
ALMA gab den Astronomen mindestens eine große Überraschung. HL Tau sollte für junge Planetenkörper zu jung sein, um sie zu umkreisen. ALMA zeigt jedoch deutlich, dass konzentrische Ringe die protoplanetare Scheibe von HL Tau durchschneiden. Wenn die Planeten an Größe zunehmen, bilden sie diese konzentrischen Ringe, die durch Lücken getrennt sind, in denen die Planeten ihren jungen Stern umkreisen und Trümmer aus der Scheibe drücken.
Mindestens acht Planeten scheinen sich zu bilden, einer für jeden konzentrischen Ring. ALMA-Wissenschaftlerin Catherine Vlahakis fasste die vorherrschende Ansicht gut zusammen: "Allein dieses eine Bild wird die Theorien der Planetenentstehung revolutionieren."