Von Emma und Rieko
07.10.2014 bis 18.10.2024
Im Rahmen unseres Stipendiums der Auricher Wissenschaftstage verbrachten wir zwei Wochen in Bonn und durften die Abteilung für (Sub-)millimeterastronomie am Max-Plank-Institut für Radioastronomie besuchen. Dabei wurden wir von Dr. Arshia Jacob sehr freundlich empfangen und über die gesamte Praktikumszeit betreut. Nachdem wir am ersten Tag eine Einführung in charakteristische Submillimeterstrahlung von interstellaren Molekülwolken erhielten, konnten wir bereits beginnen, unser eigenes Projekt zu entwickeln.
Atome und Moleküle im interstellaren Medium können durch Energiezufuhr angeregt werden. Passiert dies, springen sie zu einem höheren Energieniveau. In diesem angeregteren Zustand verweilt das Atom aber nicht lange, und wenn es dann wieder in einen weniger energiereichen Zustand zurückspringt, wird diese Energiedifferenz in Form von Strahlung frei – z.B. als (Sub-)millimeterstrahlung, welche dann mit entsprechenden Teleskopen detektiert werden kann.
Ähnlich wie in der optischen Spektroskopie die Spektrallinien von leuchtenden Gasen (z.B. Fraunhoferlinien) charakteristisch sind, können auch in der Radiospektroskopie bestimmten Wellenlängen der freigewordenen Strahlungsenergie bestimmte Moleküle und Atome zugeordnet werden. Diese charakteristischen Linien werden von Chemikern im Labor bestimmt und sind dann in Datenbanken für Astronomen abrufbar. Somit ist es möglich, anhand des aufgenommenen Spektrums einer Quelle im Weltraum und der identifizierten Wellenlängen mit hoher Intensität Rückschlüsse darauf zu ziehen, welche Moleküle in der betrachteten Quelle vorhanden sind – wodurch u.a. die Zusammensetzung von Sternen und Gaswolken im interstellaren Medium erforscht werden können.
Radio- und Submillimeterstrahlung kann, dank ihrer Wellenlänge, nahezu ungehindert die Erdatmosphäre durchdringen, wodurch wir sie auch von der Erde aus relativ ungestört empfangen können. Das zweitgrößte bewegliche Radioteleskop der Welt mit 100 Metern Durchmesser steht in Bonn-Effelsberg und gehört zum MPIfR. Dieses durften wir während unseres Praktikums besuchen und haben neben dem normalen Besucherprogramm eine besondere Führung über das Betriebsgelände und auf dem Teleskop erhalten. Wir konnten sowohl den aktuellen, als auch den ehemaligen Kontrollraum begehen und somit ganz hautnah die technische Entwicklung erleben
Radiostrahlung wird, da sie die Atmosphäre so gut durchdringt, auch in der modernen Technik verwendet (z.B. Rundfunk). Die auf der Erde von Menschen ausgesandten Wellen sind jedoch viel stärker als solche, die von Materie im Weltall ausgesandt werden. Dies hat zur Folge, dass die moderne funkende Technik sich auf bestimmte Frequenzbereiche beschränken muss, die dann für die Astronomen unbrauchbar werden, da die Sensoren in den Bereichen dann übersteuern. Die Mitarbeitenden vor Ort erzählten uns von einem Vorfall, bei dem ein neu gebauter Funkmast das gesamte Teleskop lahmlegte. Nach einigen Gesprächen mit dem Betreiber des Funkmastes fand man einen Kompromiss.
Des Weiteren wurden wir ebenfalls durch einige Teile des Instituts, u. a. durch die Abteilung für Hardwareentwicklung, geführt. Hier konnten wir neben einigen spannenden Messinstrumenten und Platinen im Entwicklungsprozess auch sehen, wie und wo einige Empfängersysteme für Radioteleskope auf der gesamten Welt entwickelt wurden. Die Flure des gesamten MPIfR sind geschmückt mit Forschungsergebnissen der Wissenschaftler, über die wir von Dr. Jakob bei jeder Möglichkeit viel erfahren haben - z.B. über das Teleskop SOFIA, welches in Zusammenarbeit mit dem MPIfR entwickelt wurde und aus einem Flugzeug heraus operierte, weshalb es von der Atmosphäre nicht beeinträchtigte Daten erfassen konnte.
Wir durften zusätzlich zu all diesen technischen Einblicken einigen Kolloquien zu aktuellen Themen der Astronomie beiwohnen: Von den technischen Voraussetzungen, molekulare Ionen im Weltall zu entdecken, über sog. stellar mergers, also „verschmelzenden Sternen“, hin zu der Entdeckung von Supernovae mit dem James Webb Space Telescope. Hier konnten wir hautnah den Alltag der Wissenschaftler im Austausch über aktuelle Forschungsergebnisse und die Internationalität der Forschung erleben, denn die Referenten u.a. aus Prag und den USA.
Einer der Referenten, Dr. Armin Rest, war von unserer Betreuerin Dr. A. Jakob eingeladen worden. So ergab sich für uns die Gelegenheit, an unserem vorletzten Praktikumstag, uns intensiv mit ihm zu unterhalten. Abends wurden wir noch von Dr. Jakob mit Dr. Rest in ein polnisches Restaurant eingeladen. Dr. Rest ist, trotz seiner wirklich beeindruckenden Forschungen, welche v.a. Supernovae behandeln, ein sehr bodenständiger Wissenschaftler und erzählte bei freundschaftlicher Atmosphäre vor allem von seinen Forschungsprojekten, seiner Arbeit am Space Telescope Science Institute in Baltimore, also über Supernovae und die Kalibrierung des nIRCat Systems bei den verschiedenen Messungen.
Fr. Dr. Jakob hat uns die Möglichkeit gegeben, unser eigenes Projekt durchzuführen, auf welches sie uns thematisch sehr gut vorbereitet hat. Wir durften Gaswolken aus allen Bereichen der Milchstraße einerseits auf die molekulare Zusammensetzung hin und andererseits auf das Verhältnis von dem Molekül C2H und seinen Isotopen untersuchen.
Zur Umsetzung unseres eigenen Projektes standen uns Datensätze vom APEX-Teleskop in Chile zur Verfügung. Neben den Daten wurde uns auch die Software CLASS zur Bearbeitung dieser Daten zur Verfügung gestellt und erklärt.
Bei der Durchsicht der Daten stellten wir fest, dass alle Spektren der Molekülwolken, die wir untersuchten, stark ausgeprägte Linien von C2H und CS zeigten.
Um herauszustellen, wie aktiv diese Bereiche der Milchstraße waren bzw. sind und wie weit die dort vorhandenen Gaswolken demnach entwickelt sind, haben wir das Verhältnis zwischen den Molekülen und ihren Isotopen untersucht. Für das Molekül C2H haben wir so zum Beispiel die Isotope13CCH und C13CH sowie für das Molekül CS die Isotope C33S und C34S untersucht. Die Hochgestellte Zahl beschreibt dabei ein irreguläre Massezahl des jeweils nachstehenden Atomes.
Dieses Verhältnis entsteht dadurch, dass nur in Regionen mit einer gewissen Aktivität genügend Energie vorhanden ist, um die Isotope eines Moleküls überhaupt zu formen. Für die CS-Moleküle konnten wir dieses Verhältnis sehr einfach in den von uns erstellten Plots erkennen, da diese Moleküle sich nur als eine einzige starke charakteristische Linie gezeigt haben. Bei C2H hingegen sind, durch sogenanntes Hyperfine Splitting, mehrere Linien vorhanden. Ob und wie viele Hyperfine-Linien entstehen hängt von den möglichen Energieübergängen innerhalb des Molekühls ab. Deshalb haben wir einen komplexeren, aber auch genaueren Modellierungsprozess angewandt.
Mit der gegebenen Software konnten wir die Emission der C2H-Moleküle und ihrer Isotope modellieren und somit herausfinden, welche Dichte diese Moleküle in dem betrachteten Ausschnitt aufwiesen. Diese Modelle kann man sich als eine Simulation vorstellen, die von mehreren Parametern abhängig ist. Diese Parameter werden immer wieder angepasst, bis das simulierte Ergebnis möglichst genau mit dem tatsächlich empfangenen Spektrum übereinstimmt. Dann kann an den Parametern der Simulation abgelesen werden, welche Verhältnisse tatsächlich in dieser Wolke auftreten.
Aus dem von uns gefundenen Verhältnis von C2H und seinen beiden Isotopen können also Rückschlüsse gezogen werden, wie aktiv eine Region ist. Unsere Vermutung war, dass die Gaswolken, die dem Zentrum der Milchstraße mit seinem Schwarzen Loch näher sind, eben auch aktiver sind - die Ränder der Milchstraße hingegen kaum.
Diese Werte haben wir zum Schluss mit Ergebnissen von Wissenschaftlern verglichen, welche bereits andere Molekülverbindungen und Isotope untersucht haben und ein erfreuliches Ergebnis erhalten.
In obigem Plot lässt sich deutlich erkennen, dass unsere Daten sich zwischen die Daten der Wissenschaftler einschmiegen. Hierbei ist in dem Plot der Abstand zum galaktischen Zentrum gegen das Verhältnis der Moleküle und Isotope aufgetragen.
Zusätzlich zu dieser erfolgreichen Datenerhebung suchten wir auch Falschfarbendarstellungen im Radio- bzw. Infrarotspektrum von den untersuchten Daten aus der Datenbank Atlasgal heraus. Atlasgal ist ein Vermessungsprojekt, welches Daten zu über 6000 Objekten in der Milchstraße erforscht hat. Die von uns besuchte Abteilung der (Sub-)Millimeterastronomie des MPIfR war maßgeblich an der Realisierung dieses Projektes beteiligt. In den Falschfarbendarstellungen, der von uns betrachteten Molekülwolken, konnten wir oft, die in den Modellen gefundenen Parameter wiedererkennen und nachvollziehen wie die analysierten Spektren zustande kommen.
Während dieses gesamten Prozesses sind wir sehr gut von Dr. A. Jacob unterstützt worden, die uns nicht nur alles rund um unser Projekt erklärt hat, sondern auch die Theorie dahinter auf ein für uns Schüler verständliches Niveau herunterbrach. Außerdem haben wir mit ihr immer über den Tellerrand hinausschauen können und so viele weitere spannenden Themen rund um die Astronomie und das wissenschaftliche Arbeiten gezeigt und erklärt bekommen.
Die Atmosphäre im Institut war sehr freundich und v.a. freundschaftlich. Unterstützung und darüber hinaus interessante Konversationen hatten wir mit vielen der anderen jungen Wissenschaftler des MPIfR, dem Direktor der Abteilung, Dr. Karl Menten, der sich sehr für unsere Ergebnisse interessierte, Annaeth, die uns stets zur Seite stand, Nicolaus, mit dem wir sein Büro teilen durften, und vielen anderen beim gemeinsamen Mittagessen.
Die Internationalität des Instituts war beeindruckend. Alle Talks und viele Gespräche mit den Wissenschaftlern fanden auf Englisch statt.
Vielen Dank an das Institut und alle weiteren Personen, die dieses Praktikum möglich gemacht haben und es so reichlich mit Inhalt gefüllt haben.
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