Schattenblick →INFOPOOL →NATURWISSENSCHAFTEN → PHYSIK

ASTRO/112: Spurensuche im Universum (uni.kurier.magazin - Uni Erlangen)


uni.kurier.magazin - 110/September 2009
Wissenschaftsmagazin der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Spurensuche im Universum

Das Erlangen Centre for Astroparticle Physics - ECAP


Seit 2007 gibt es an der Universität Erlangen-Nürnberg ein neues Forschungszentrum: Das Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP), das sich auf die Erforschung hochenergetischer Teilchen aus dem Weltraum spezialisiert hat. Mit international führenden Beteiligungen an den Flaggschiff-Projekten der Neutrino-, Gammastrahlungs- und Röntgen-Astronomie hat das ECAP eine herausragende Stellung in der Europäischen Universitätslandschaft erobert.


"Die zwei noch". Carsten Richardt zeigt auf zwei am Boden stehende Kartons. "Pack mer" antwortet Kay Graf auf gut Fränkisch und packt die beiden letzten Kartons in den Kleinlaster. Der Doktorand und der Assistent am Erlangen Centre for Astroparticle Phyisics (ECAP) machen sich auf den Weg nach La Seyne sur Mer, einer kleinen Stadt in Südfrankreich. Sie haben ihren Wagen mit Geräten beladen, die sie und ihre Kollegen am ECAP entwickelt und gebaut haben. In La Seyne steuern sie eine Halle am Hafen an. Sie werden von ihren französischen und italienischen Kollegen auf Englisch begrüßt und tragen gemeinsam die Kartons aus dem Auto in die Halle. Im Innern wird eine "ANTARES-Line" zusammengebaut. Der Name "ANTARES" steht für ein neuartiges Teleskop, das im Mittelmeer in einer Tiefe von 2500 Metern installiert wird. Die Erlanger Physiker montieren in den nächsten zwei Tagen ihre mitgebrachten Komponenten an diese "Line" und führen letzte Tests und Kalibrationen durch, bevor die ganze Anordnung auf ein Schiff gehoben und aufs Mittelmeer hinausgefahren wird.


DAS FORSCHUNGSFELD ASTROTEILCHENPHYSIK

ANTARES ist eines der großen internationalen Erlanger Projekte (siehe Infokasten) der Astroteilchenphysik, einer jungen Wissenschaft, die die verschiedenen Formen von Strahlung und Teilchen erforscht, die aus den Tiefen des Universums auf unsere Erde treffen. Die Anfänge der Astroteilchenphysik gehen auf Victor Hess zurück. Der österreichische Physiker untersuchte zu Beginn des 20. Jahrhunderts eine seltsame Strahlung, die sein Messgerät fortwährend anzeigte. Er vermutete, dass die Strahlung aus dem Erdinneren kommt. Deshalb stieg er mit einem Ballon in der Atmosphäre auf und erwartete, dass die Strahlung mit der Höhe abnehmen sollte, beobachtete aber genau das Gegenteil: Sie nahm zu, musste also außerirdischen Ursprungs sein. Die "kosmische Strahlung" war entdeckt.

Wir wissen heute, dass die kosmische Strahlung im Wesentlichen aus Atomkernen, überwiegend Protonen, besteht. Die Energien dieser Teilchen überspannen einen eindrucksvollen Bereich von 20 Größenordungen; die bisher höchsten gemessenen Teilchen-Energien sind 1020 eV. Kein Labor der Erde kann solch hochenergetische Teilchen erzeugen. Die Energie ist ungeheuerlich groß: Sie ist vergleichbar mit der kinetischen Energie eines Tennisballes mit 200 km/h - nur dass der Tennisball aus 1023 Atomen besteht, während in der kosmischen Strahlung eine solche Energie von einem einzigen subatomaren Teilchen getragen wird.


Ursprung unbekannt

Wo und wie werden im Universum Teilchen mit solch hohen Energien produziert? Protonen sind elektrisch geladene Teilchen, die in den galaktischen und intergalaktischen Magnetfeldern abgelenkt werden. Man sieht ihnen auf der Erde deshalb nicht mehr an, in welcher Richtung ihr Ursprungsort liegt. Als Botenteilchen der Quellen sind sie daher ungeeignet. Photonen und Neutrinos (siehe Infobox) tragen keine elektrische Ladung und breiten sich in Magnetfeldern ungestört aus. Diese Teilchen eignen sich daher auf hervorragende Weise als Botschafter der Quellen kosmischer Strahlung.

Schon in der Mitte des vergangenen Jahrhunderts vermuteten Wissenschaftler, dass elektrisch geladene Teilchen in virulenten Prozessen - z.B. Schockwellen von ionisierten Gasen, die von einem explodierenden Stern emittiert werden - beschleunigt werden. Dabei sollten nicht nur die Teilchen der kosmischen Strahlung entstehen, sondern über Sekundärreaktionen auch andere hochenergetische Teilchen: elektromagentische Strahlung - Röntgen- und Gammastrahlungsphotonen - und Neutrinos. Diese breiten sich geradlinig aus, so dass sie ihren Ursprungsort zu erkennen geben, wenn sie auf der Erde ankommen.


INFOKASTEN: Neutrinos

Neutrinosorten
Elektron-Neutrino υe, Myon-Neutrino υμ,
Tau-Neutrino υμ

Typische Neutrinoreaktionen
υe + Proton → Elektron + weitere Teilchen
υμ + Proton → Myon + weitere Teilchen

Neutrinomasse
Seit etwa 10 Jahren wissen wir, dass Neutrinos Masse tragen:
0 < mυ < 2 Elektronvolt
(weniger als 1/250000 der Elektron-Masse)

Neutrinooszillationen
Neutrinos können sich im Flug ineinander umwandeln



An der Grenze unseres Weltbildes

Die Erforschung des Ursprungs der kosmischen Strahlung ist ein zentrales Thema der Astroteilchenphysik. Mit den heute zur Verfügung stehenden Technologien ist es möglich geworden, diesem fast einhundert Jahre alten Rätsel auf den Grund zu gehen. Die Astroteilchenphysik ist aber noch viel mehr. Mit der Untersuchung von Neutrinos, Gamma- und Röntgenstrahlung aus dem Kosmos untersuchen die Wissenschaftler das Universum bei den höchsten Energien, an den Grenzen unseres physikalischen Weltbildes. Das ECAP ist auf dem Weg, hier eine international führende Rolle zu übernehmen.


INFOKASTEN: Astroteilchenphysik- und Astrophysik-Projekte mit Erlanger Beteiligung
(siehe genaue Beschreibungen auf den folgenden Seiten)

ANTARES
Neutrinoteleskop vor der französischen Mittelmeerküste,
Fertigstellung 2008, derzeit Datennahme

AMADEUS
Akustisches Detektionssystem in ANTARES

KM3NeT
Zukünftiges Kubikkilometer-Neutrinoteleskop im Mittelmeer

H.E.S.S.
Cherenkov-Teleskop für Gammastrahlung im TeV-Bereich in Namibia

IXO
Zukünftiges satellitenbasiertes Röntgenteleskop

CTA
Zukünftiges Cherenkov-Observatorium für Gammastrahlung im TeV-Bereich

MUCHFUSS
Projekt zum Nachweis unsichtbarer Begleiter von Sternen mittels Doppler-Reflexmethode



DER ANFANG DES ECAP

Im Jahr 2001 beschlossen Prof. Dr. Gisela Anton und Prof. Dr. Ulrich Katz vom Physikalischen Institut der Universität Erlangen-Nürnberg, sich am ANTARES-Projekt zu beteiligen. Sie überzeugten das Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMBF), das Projekt mit bisher 5 Millionen Euro zu fördern. Die Erlanger Wissenschaftler konnten eine ANTARES-Arbeitsgruppe aufbauen, die heute 20 Mitarbeiter umfasst und wesentliche Beiträge zu ANTARES leistet. 2004 wechselte Prof. Dr. Christian Stegmann von der Humboldt-Universität Berlin ans Physikalische Institut. Er übernahm den Lehrstuhl für Physik und brachte seine Beteiligung am Gamma-Teleskopsystem H.E.S.S. mit nach Erlangen. 2005 berief die Universität den Röntgenastronomen Prof. Dr. Jörn Wilms auf eine Professur für Astronomie. Damit war eine breite Basis für die Astroteilchenphysik in Erlangen gegeben, und die Zeit war reif für die Gründung des ECAP. Im Sommer 2007 befürwortete die Hochschulleitung die Einrichtung des neuen Forschungsschwerpunktes und im Mai 2008 feierte das Erlangen Centre for Astroparticle Physics seine Einweihung.

Heute umfasst das ECAP die drei Lehrstühle von Gisela Anton, Ulrich Katz und Christian Stegmann aus dem Physikalischen Institut, die Professoren Ulrich Heber und Jörn Wilms von der Sternwarte in Bamberg und den Lehrstuhl von Professor Thomas Thiemann im Institut für Theoretische Physik. Achtzig Wissenschaftler arbeiten in den verschiedenen Forschungsprojekten. Sie werden von zwanzig Technikern in einer mechanischen und einer elektronischen Werkstatt unterstützt; darüber hinaus ist das technische Personal des ehemaligen Tandemlabors dem ECAP zugeordnet.

Das ECAP betreibt mehrere Labore für Entwicklung und Bau von Komponenten und Geräten für die Experimente der Astroteilchenphysik sowie ein großes Computercluster für Simulationen und Datenanalyse. Dabei profitieren die Wissenschaftler der verschiedenen Projekte von den Erfahrungen aus den jeweils anderen Projekten. Zusammenarbeit wird am ECAP groß geschrieben.

Die Forschung lebt vom Austausch der Ideen und von kreativer Kritik. In einem Kaffeeraum trifft man sich mal gezielt und mal zufällig und bespricht die aktuellen Fragen und Probleme. Die verschiedenen Arbeitsgruppen haben mindestens einmal pro Woche ein Meeting. Jeden Donnerstag um 16 Uhr findet das gemeinsame ECAP-Seminar statt, in dem die neuesten Forschungsergebnisse vorgestellt werden. Oft kommen auch auswärtige Wissenschaftler zu Besuch und tragen über ihre Arbeit im Seminar vor.


Internationale Projekte

Alle Forschungsprojekte des ECAP sind international verankert. Während die Mitarbeiter am ANTARES-Teleskop oft nach Südfrankreich fahren und die Mitarbeiter am H.E.S.S.-Teleskopsystem an dessen Standort in Namibia, sind die Physiker der Detektorentwicklung am europäischen Forschungszentrum CERN in Genf zu finden oder der Röntgenastronom Wilms bei seinen Kollegen von der NASA in den USA. Schon die Diplomanden nehmen an den Kollaborationstreffen der Experimente teil. Während für sie das Reisen und Zusammenarbeiten in internationalem Rahmen noch aufregend und abenteuerlich ist, wird es für Doktoranden schon zur Routine. So lernen die jungen Physiker früh, sich mit ihren Leistungen im internationalen Maßstab zu messen.

Die Erlanger Physiker sind nicht nur an den laufenden Projekten der Astroteilchenphysik beteiligt, sondern sie treiben das Forschungsfeld voran und gestalten die nächste Generation von Experimenten: ein wesentliches Kennzeichen für ein international anerkanntes Institut. So ist z.B. Professor Uli Katz Koordinator des zukünftigen Neutrinoteleskops KM3NeT, das das weltgrößte Teleskop seiner Art werden soll. Professor Christian Stegmann ist in leitender Funktion an den Planungen für das Gammastrahlungsobservatorium CTA beteiligt und Professor Jörn Wilms am Röntgensatelliten IXO. Die Mitgliedsländer der Europäischen Union haben eine Liste von großen Forschungsinfrastrukturen erstellt, die in Zukunft in Europa realisiert werden sollen. Diese ESFRI-Liste enthält derzeit 44 Projekte aus allen Forschungsbereichen. Sie ist "der goldene Schlüssel" für eine mögliche Realisierung eines großen Forschungsvorhabens. KM3NeT hat es unter der Leitung von Uli Katz geschafft, auf diese Liste aufgenommen zu werden. Auch CTA ist seit 2008 dabei - damit ist das ECAP das einzige deutsche Universitäts-Institut, das an zwei Projekten der ESFRI-Liste beteiligt ist.


Forschungsschwerpunkte in Erlangen

Die Forschungsschwerpunkte der Astroteilchenphysik in Erlangen liegen in der Neutrino- und Gammastrahlungsastronomie. Diese Aktivitäten werden begleitet von astronomischen Forschungen im Bereich der Röntgen- und optischen Astronomie und Detektorentwicklungen für zukünftige Projekte.


SCHWERPUNKT: NEUTRINOASTRONOMIE

Neutrinos sind ganz besondere Teilchen: Sie sind elektrisch neutral, haben kaum Masse und reagieren nur äußerst selten mit "normaler" Materie. Es ist deshalb kein Wunder, dass die Menschheit von ihrer Existenz lange Jahrhunderte nichts bemerkte - und das, obwohl jeder von uns in jeder Sekunde von Billionen von Neutrinos aus der Sonne durchdrungen wird, Tag und Nacht. Wir merken nichts davon, weil von dieser Unzahl von Neutrinos nur alle paar Minuten mal eines in unserem Körper reagiert - und auch dies spüren wir nicht. So kam es, dass das Neutrino erst 1933 von dem österreichischen Physiker Wolfgang Pauli postuliert wurde, um die beobachteten Eigenschaften des radioaktiven Kernzerfalls zu erklären. Es dauerte dann bis in die 1950er Jahre, bis der experimentelle Nachweis gelang, dass es Neutrinos wirklich gibt.


INFOKASTEN: Strahlung aus dem Weltall

Elektromagnetische Strahlung
Überspannt einen riesigen Wellenlängenbereich von
Radiowellen (Wellenlängen λ im Meter-Bereich)
über sichtbares Licht (einige 100 Nanometer) bis hin
zur Röntgenstrahlung (Zehntel Nanometer) und
Gammastrahlung (bis zu 10-20 m). Die Quanten
der elektromagnetischen Strahlung heißen Photonen und
tragen eine Energie proportional zu 1/λ - bis zu
1014 Elektronvolt bei der Gammastrahlung.

Neutrinos
Elektrisch neutrale, fast masselose Teilchen, die sehr selten
mit Materie reagieren. Siehe oben, Infokasten Neutrinos.

Protonen und Kerne
Das Proton ist der leichteste Atomkern (der des Wasserstoffatoms).
Atomkerne sind geladen und werden deshalb in kosmischen Magnetfeldern
abgelenkt.

Elektronen und Positronen
Elektronen bilden die negativ geladene Hülle um die Atomkerne,
Positronen sind ihre positiv geladenen Antiteilchen.
Elektronen und Positronen werden ebenfalls in Magnetfeldern
abgelenkt und lassen deshalb keinen Schluss auf ihre Herkunft zu.



Ideale Boten

Heute ist die Neutrinophysik ein facettenreiches Teilgebiet der Elementarteilchenphysik und Gegenstand vieler experimenteller Untersuchungen. Wir kennen inzwischen die Eigenschaften und Reaktionen von Neutrinos sehr genau und wissen, wie sie entstehen. Hier kommt die kosmische Strahlung ins Spiel: Egal wo im Weltall die Atomkerne (insbesondere Protonen) der kosmischen Strahlung auf ihre atemberaubenden Energien beschleunigt werden, sie können gar nicht anders, als mit Teilchen in ihrer Umgebung zu kollidieren und dabei instabile Teilchen zu erzeugen, bei deren Zerfall dann Neutrinos entstehen.

Diese Neutrinos sind somit ein untrügliches und eindeutiges Signal kosmischer Beschleuniger. Ihre Eigenschaften machen sie ideal als Botenteilchen: Sie werden in Magnetfeldern nicht abgelenkt und deuten deshalb auf Ihre Quellen zurück, sie werden von der Materie in ihrer Entstehungsumgebung und im interstellaren Raum nicht absorbiert, und sie zerfallen nicht auf dem Weg zur Erde. In gewisser Weise verhalten sie sich also wie Licht - deswegen sprechen Wissenschaftler davon, das Universum "im Licht der Neutrinos" untersuchen zu wollen.


Ehrgeizige Ziele

Die Vermessung kosmischer Neutrinos ist ein wichtiges, aber auch ehrgeiziges Ziel der Astroteilchenphysik: Sie verspricht neue, vielleicht sogar revolutionäre wissenschaftliche Erkenntnisse, ist aber mit großem Aufwand verbunden. Der Grund dafür ist der gleiche, der Neutrinos als Botenteilchen so attraktiv macht: Sie reagieren so schwach mit gewöhnlicher Materie, dass die meisten von ihnen gar nicht daran denken, in einem Detektor auch nur das geringste messbare Signal zu hinterlassen. Man benötigt deswegen riesige Materiemengen, in denen dann die wenigen Neutrinoreaktionen nachweisbar sein müssen.

Zurzeit gibt es zwei Ansätze, solche Detektoren zu realisieren: Im Schelf-Eis des Südpols und in Gewässern wie dem Mittelmeer. Da der Neutrinonachweis über das Cherenkov-Licht von Sekundärteilchen erfolgt (siehe Infokasten), ist es notwendig, alle Störquellen von Licht abzuschirmen - vor allem das Tageslicht. Man installiert die Neutrinoteleskope daher in großer Tiefe, in die sich praktisch nie auch nur ein einzelnes Photon des Sonnenlichts verirrt. Dort sucht man dann nach Signalen von Neutrinos, die von unten kommen - nur Neutrinos können die ganze Erde durchdringen, ohne darin "steckenzubleiben".

Für ihre Vermessung nutzt man eine Laune der Natur: Etwa jedes dritte Neutrino erreicht die Erde als Myon-Neutrino und kann bei seiner Reaktion ein Myon erzeugen, ein geladenes Teilchen, das in der Richtung des einlaufenden Neutrinos emittiert wird (siehe Infokasten Neutrinos). Das Myon legt in Wasser oder Eis bis zu mehrere Kilometer zurück und strahlt dabei Cherenkov-Licht aus, mit dessen Hilfe die Flugrichtung des Myons und damit des Neutrinos ermittelt werden kann.


INFOKASTEN: Das Erlangen Centre for Astropartice Physics (ECAP)

Gründung
August 2007

Mitarbeiter
8 Professoren, 20 promovierte Wissenschaftler,30 Doktoranden,
20 Diplomanden, 25 technische und Verwaltungsmitarbeiter

Labore
Photomultiplier-Labor, Akustik-Labor, Elektroniklabor, Detektorlabor

Computercluster
300 Knoten

Drittmittel
Ca. 3 Millionen Euro pro Jahr


INFOKASTEN: Cherenkov-Licht ...

• entsteht, wenn ein geladenes Teilchen ein transparentes
polares Medium durchquert und dabei schneller als die Lichtgeschwindigkeit
in diesem Medium ist. Der Winkel, unter dem das Licht abgestrahlt wird,
hängt nur von der Teilchengeschwindigkeit und dem Brechungsindex des Mediums ab.

• Cherenkov-Licht ist überwiegend blau und ultraviolett.
Das bläuliche Leuchten in Reaktorbecken von Atomkraftwerken wird
von Cherenkov-Licht erzeugt.

• Pro Meter Flugstrecke strahlt ein Teilchen in Wasser etwa
20.000 Cherenkov-Photonen ab.

• Pro Meter Flugstrecke strahlt ein Teilchen in Luft etwa 30 Cherenkov-Photonen ab.


Neutrinosuche im Mittelmeer

Die Forscher des ECAP sind maßgeblich an zwei Neutrinoteleskop-Projekten im Mittelmeer beteiligt: ANTARES, das seit 2008 in der Nähe von Toulon in 2475 m Tiefe vollständig aufgebaut ist und Tag und Nacht Daten nimmt, sowie an dem zukünftigen Großprojekt KM3NeT. ANTARES besteht aus zwölf vertikalen elektrooptischen Kabeln, die jeweils 25 Dreiergruppen von Photomultipliern (siehe Infokasten) tragen und insgesamt etwa 30 Millionen Tonnen Wasser beobachten. Dort erzeugte Cherenkov-Photonen werden detektiert und ihre Ankunftszeiten mit einer Präzision von einer Milliardstel Sekunde bestimmt; aus diesen Daten lassen sich dann Richtung und auch Energie der Neutrinos bestimmen. ANTARES hat bisher einige hundert Neutrinos nachgewiesen - allerdings überwiegend solche, die durch Reaktionen der kosmischen Strahlung in der Erdatmosphäre entstanden sind. Der Nachweis "echter" kosmischer Neutrinos steht noch aus.

Obwohl die Forscher optimistisch sind, dass dies mit ANTARES gelingen kann, ist es doch klar, dass deutlich größere Instrumente nötig sind, um das wissenschaftliche Potential der Neutrinoastronomie wirklich auszuschöpfen. Deshalb wird derzeit mit KM3NeT ein Kubikkilometer-großes Neutrinoteleskop vorbereitet, das dann mehr als eine Milliarde Tonnen Wasser beobachten kann. Es gilt, die Erfahrungen von ANTARES und anderen Projekten zu nutzen, um kosteneffiziente und zuverlässige technische Lösungen mit höchster Nachweisempfindlichkeit zu erarbeiten. Dazu dient eine dreijährige internationale Designstudie, die von der EU mit 9 Millionen Euro unterstützt und von Professor Uli Katz vom ECAP geleitet wird.

Die technischen Herausforderungen für ein Neutrinoteleskop in der Tiefsee sind enorm. So gibt es nur wenige Materialien, die dem chemisch aggressiven Meerwasser langfristig standhalten, der Druck von 250 bar stellt höchste Anforderungen an Festigkeit und Dichtheit von Detektorkomponenten, die Installation erfordert u.a. den Einsatz ferngesteuerter Tiefsee-Tauchboote und nicht zuletzt sind Wartung und Reparaturen vor Ort nicht möglich - der Detektor muss daher extrem zuverlässig sein. Sind alle diese Probleme schließlich gelöst, muss der Detektor rund um die Uhr betrieben werden.


Forschung rund um die Uhr

Kay Graf und Carsten Richardt sind seit ein paar Wochen zurück in Erlangen. Der ANTARES-Neutrinodetektor ist fertig gestellt, und 13 Lines befinden sich am Meeresboden und senden kontinuierlich Messdaten an Land. Kay Graf reibt sich die Augen. Es ist schon spät. Er sitzt vor einem langen Tisch mit vielen Monitoren, und trotz seiner Müdigkeit beobachtet er aufmerksam die vielen Parameter, die auf den Monitoren angezeigt werden. Er befindet sich in einem ECAP- Kontrollraum in Erlangen, von wo aus er das ANTARES-Experiment kontrolliert und steuert. Alle Mitglieder der ANTARES-Kollaboration müssen sich am Betrieb des Detektors durch "Schichten schieben" beteiligen. Dies kann in einem Kontrollraum in La Seyne sur Mer durchgeführt werden, oder auch unter "remote control" von anderen Orten aus.

Um präzise Messungen zu ermöglichen, ist es zudem nötig, ständig die genaue Position jedes einzelnen Photomultipliers zu bestimmen, so dass die Bewegungen der Detektorstrukturen in der Meeresströmung herauskorrigiert werden können. Dazu werden akustische Messungen gemacht: Die Laufzeiten akustischer Signale von Sendern an bekannten Positionen auf dem Meeresboden zu den Detektorkomponenten ergeben ein Netzwerk von Abstandsmessungen, aus denen die Photomultiplier-Orte präzise ermittelt werden können.


INFOKASTEN: Photomultiplier ...

• bestehen aus einem evakuierten Glaskolben, in dem innen eine
dünne Metallschicht aufgebracht ist, aus der ein Photon ein Elektron auslösen kann.
Dieses wird durch eine Hochspannung zu einer sog. Dynode beschleunigt,
aus der es mehrere weitere Elektronen herausschlägt, die zur nächsten
Dynode beschleunigt werden - usw., bis ein messbares Ladungssignal
entsteht. Eine typische Anzahl ist 10-12 Dynoden.

• Photomultiplier können also einzelne Photonen nachweisen und ihre
Ankunftszeiten mit einer Genauigkeit von etwa einer Nanosekunde messen.

• Es gibt Photomultiplier mit Durchmessern von wenigen Zentimetern bis
über einem halben Meter.



Neutrinos hören

Akustische Messungen sind den Wissenschaftlern am ECAP aber nicht nur aus diesem Grund besonders wichtig. Tatsächlich kann es nämlich sein, dass man Neutrinos buchstäblich "hören" kann - wenn sie ihre Energie in einer Teilchenkaskade an das Wasser abgeben, heizt sich dieses lokal ein winziges bisschen auf und dehnt sich dabei aus, gerade genug, um einen messbaren Schallpuls zu erzeugen. Da sich Schall in Wasser weiter ausbreiten kann als Licht, könnte man akustische Sensoren in größeren Abständen voneinander anbringen als optische und somit noch gewaltigere Wassermengen auf Neutrinoreaktionen untersuchen. Um diese Methode auf Machbarkeit zu testen, wurden am ECAP akustische Sensoren und die dazugehörige Ausleselektronik entwickelt und in ANTARES integriert. Nun werden laufend akustische Daten aus der Tiefsee genommen, mit deren Hilfe in einigen Jahren entschieden werden soll, ob ein akustischer Neutrinodetektor wirklich die erforderliche Empfindlichkeit besitzt und verwirklicht werden kann.


SCHWERPUNKT: GAMMASTRAHLUNGSASTRONOMIE

Es ist Abend im Khomas-Hochland von Namibia, etwa 100 Kilometer westlich der Hauptstadt Windhoek. Die Sonne steht tief im Westen über dem 30 km entfernten Horizont und wird schon in ein paar Minuten untergehen. Im Osten sind bereits die ersten Sterne am klaren Himmel zu sehen. "Das Wetter ist gut, ich schalte CT1 und CT2 an", sagt Ira Jung, Assistentin am ECAP. "Okay, dann nehme ich CT3 und CT4" antwortet die Doktorandin Constanze Jahn. Beide verlassen das Kontrollgebäude des H.E.S.S.-Experiments. Draußen stehen die vier großen H.E.S.S.-Teleskope in der Abendsonne. Jedes Teleskop hat einen Spiegeldurchmesser von 12 m und ein Gewicht von 60 Tonnen. Ira Jung und Constanze Jahn gehen von einem Teleskop zu anderen, kontrollieren den äußeren Zustand und schalten danach die Nachführungssysteme der Teleskope an.

Während die beiden Erlanger Wissenschaftlerinnen draußen bei den Teleskopen beschäftigt sind, bereiten ein französischer und ein englischer Kollege das Datennahmesystem für die Beobachtungen vor. Der Zustand des Teleskopsystems wird über eine Reihe von Computer-Monitoren angezeigt. So kann die Schicht-Crew ständig überwachen, wohin die Teleskope zeigen, ob die Daten der Beobachtung richtig verarbeitet und gespeichert werden und welche Wetterbedingungen herrschen. Die vier Wissenschaftler werden in dieser Nacht mit den H.E.S.S.-Teleskopen Quellen hochenergetischer Gammastrahlung in unserer Milchstraße beobachten. Auf dem Beobachtungsprogramm stehen zwei Supernova-Überreste und ein Mikro-Quasar.


Blaue Blitze am Himmel

Photonen der hochenergetischen Gammastrahlung sind auf dem Erdboden nur indirekt nachweisbar. Sie werden in der oberen Atmosphäre in einer Höhe von etwa 10 km absorbiert und erzeugen dabei kurze blaue Lichtblitze. Dieses durch Gammastrahlungs-Reaktionen mit der Atmosphäre erzeugte Licht hat die gleiche Ursache wie das von Neutrinoreaktionen im Wasser entstehende Licht: es wird durch den "Cherenkov-Effekt" hervorgerufen (siehe Infokasten zum Cherenkov-Licht).

Das Cherenkov-Licht von solchen Gamma-Ereignissen leuchtet auf der Erde eine Fläche mit einem Radius von etwa 120 Metern aus. Die H.E.S.S.-Teleskope sammeln über große Spiegel das Cherenkov-Licht auf und nehmen Bilder der Lichtblitze am Himmel auf. Aus diesen Bildern werden dann Richtung und Energie der primären Gammastrahlungsphotonen rekonstruiert.

Das H.E.S.S.-Experiment sorgte in den letzten Jahren für einen Durchbruch in der Erforschung des Universums im Gammastrahlungslicht. In der ersten sensitiven Durchmusterung unserer Milchstraße wurde eine Vielzahl von Gammastrahlungsquellen entdeckt. Waren bis zum Start von H.E.S.S. im Jahr 2004 nur etwa ein Dutzend Gammastrahlungsquellen bekannt, so hat H.E.S.S. bis heute über 50 weitere Quellen entdeckt. Die Ergebnisse des Experiments haben gezeigt, dass das Universum bei den höchsten Energien vielfältiger ist als bisher angenommen. Nicht nur die Überreste von gewaltigen Sternenexplosionen strahlen im Gammastrahlungslicht, sondern auch Binärsysteme, aktive Galaxienkerne und eine Vielzahl von weiteren Objekttypen. 2008 zeichnete die Europäische Kommission das H.E.S.S.-Experiment mit den renommierten Descartes-Preis aus.


Software aus Erlangen

"Es klappt, die Datenrate reicht. Wir bekommen 30 MByte/s in die Rechner rein". Der Doktorand Daniel Göring ist erleichtert. Er sitzt an einem Tisch in einem Erlanger Labor, neben ihm ein großer Schrank voller Computer. Viele blaue LEDs blinken. "Gut, dann können wir jetzt die H.E.S.S.-Software installieren und testen." treibt Sebastian Heinz seinen Kollegen weiter an. Die beiden Doktoranden des ECAP bauen die neue Computer-Farm für das H.E.S.S.-Teleskopsystem auf. Die Farm wird in Erlangen getestet und danach nach Namibia zum Teleskopsystem transportiert. Daniel Göring und Sebastian Heinz installieren die Software und entwickeln neue Programme zur Kontrolle und Überwachung der Datennahme. Ihr Ziel ist es die Effizienz der Datennahme mit den H.E.S.S.-Teleskopen zu steigern.

Die Universität Erlangen ist seit 2005 am H.E.S.S.-Experiment beteiligt. Über zwanzig Gruppen aus Europa und Afrika arbeiten an dem Experiment. Jede Gruppe leistet einen Beitrag zum Bau und Betrieb des Teleskopsystems. Die H.E.S.S.-Gruppe am ECAP ist für das Datennahmesystem in Namibia und die Software für die Analyse der Daten verantwortlich. Außerdem ist die Gruppe an der Analyse und Interpretation der Daten beteiligt.


Auf allen Wellenlängen

In einem Erlanger Büro der H.E.S.S.-Arbeitsgruppe arbeiten die Doktoranden Julia Brucker und Peter Eger an der Identifikation einer Gammastrahlungsquelle, die vor ein paar Jahren mit den H.E.S.S.-Teleskopen entdeckt wurde. "Wenn wir die Helligkeit des Sterns über einen geeignet langen Zeitraum mit einem optischen Teleskop beobachten, ist es vielleicht möglich, periodische Helligkeitsunterschiede zu sehen und auf die Umlaufzeit zu schließen", erklärt Peter Eger, der aus seiner Diplomarbeit in der optischen Astronomie Erfahrungen mit veränderlichen Sternen hat, "Helligkeitsunterschiede kommen von der Deformation eines Sterns durch die Anziehungskraft eines kompakten Begleiters." Nach intensiver Diskussion über Peters Vorschlag nimmt Julia den Telefonhörer auf und ruft an der Landessternwarte in Heidelberg an, die ein optisches Teleskop bei den H.E.S.S.-Teleskopen in Namibia betreibt.

Julia Brucker und Peter Eger arbeiten in einem internationalen Team von Astronomen. Sie versuchen in detektivischer Kleinarbeit herauszufinden, woher die mit H.E.S.S. gemessene Gammastrahlung kommt. Sie verwenden dazu alle verfügbaren Informationen aus anderen Wellenlägenbereichen des elektromagnetischen Spektrums von Radiostrahlung bis hin zur Röntgenstrahlung. In Nachbeobachtungen mit dem XMM-Newton Röntgensatelliten konnte ein großer Stern als Röntgenquelle nachgewiesen werden, deckungsgleich mit dem Zentrum der Gammastrahlungsquelle. Ein Stern alleine kann aber keine Röntgen- und Gammastrahlung erzeugen - das funktioniert nur, wenn er von einem kompakten, nicht sichtbaren Objekt begleitet wird. Nachfolgende Messungen mit Radioteleskopen in den USA und Indien unterstützen die Hypothese, dass es sich bei der Quelle um ein bisher unbekanntes Binärsystem handelt.

Bisher fehlt aber für den zweifelsfreien Nachweis die Messung der Umlaufperiode des Systems. Julia Brucker legt den Telefonhörer auf. "Wir bekommen die Beobachtungszeit mit dem optischen Teleskop", sagt sie zu Peter Eger, "Jetzt müssen wir nur noch warten, bis wir ausreichend Beobachtungen gesammelt haben. Vielleicht sehen wir eine Deformation..."


Zukunft der Gammastrahlungsastronomie

Mitglieder der Gammastrahlungsgruppe des ECAP treiben zusammen mit Wissenschaftlern aus Europa das CTA-Projekt voran. CTA steht für Cherenkov Telescope Array und ist ein Gammastrahlungs-Observatorium aus 50-80 Teleskopen, das im Laufe der nächsten zehn Jahre seinen Betrieb aufnimmt. Das CTA-Observatorium wird einen tiefen Blick in unser Universum bei den höchsten Energien ermöglichen, mehr von der Reichhaltigkeit des Universums zeigen und zu einem tiefen Verständnis der Prozesse im hochenergetischen Universum führen. Wissenschaftler erwarten, dass die Anzahl der Quellen von heute 100 auf über 1000 steigt. CTA wird einen großen Energiebereich abdecken und die Quellen mit einer deutlich besseren räumlichen Auflösung vermessen. Der erste Schritt in der Realisierung des Projekts ist mit seiner Platzierung auf der ESFRI-Liste bereits getan.


SCHWERPUNKT: RÖNTGENASTRONOMIE

Schwarze Löcher und Neutronensterne sind der Forschungsschwerpunkt der Röntgenastronomie des ECAP. Die Arbeitsgruppe hat ihren Sitz an der Dr. Remeis-Sternwarte in Bamberg. Neutronensterne sind Objekte mit bis zu 1.4 Sonnenmassen, die mit Radien von 10 km nur wenig größer als der Großraum Nürnberg sind. Die Dichte von Neutronensternen entspricht der von Atomkernen. Noch massereicher und kompakter als Neutronensterne sind Schwarze Löcher; die Entweichgeschwindigkeit von ihrer Oberfläche ist größer als die Lichtgeschwindigkeit, so dass nicht einmal Licht aus ihnen entweichen kann.


Nahe der Lichtgeschwindigkeit

Schwarze Löcher entstehen im Universum auf zwei verschiedenen Wegen: Bei der Explosion besonders massereicher Sterne kann das Innere des Sterns so weit komprimiert werden, dass es sich in ein Schwarzes Loch verwandelt. Derartige stellare Schwarze Löcher haben Massen von einigen zehn Sonnenmassen. Die zweite Art Schwarzer Löcher entstand in der Frühzeit des Universums, wahrscheinlich sogar vor den ersten Sternen. Diese Schwarzen Löcher werden in den Zentren von Galaxien gefunden und haben Massen bis zu einigen Milliarden Sonnenmassen. Sie sind extrem leuchtkräftig und werden nach ihrer englischen Bezeichnung gemeinhin "Active Galactic Nuclei" (AGN) genannt.

Auch wenn kein Licht aus Schwarzen Löchern selbst entweichen kann, zählen sie doch zu den leuchtkräftigsten Objekten im Universum. Schwarze Löcher ziehen Material aus ihrer Umgebung an. Diesen Prozess nennt man Akkretion. Bei stellaren Schwarzen Löchern kann dieses Material von einem Begleitstern kommen, mit dem das Schwarze Loch um den gemeinsamen Schwerpunkt kreist. Bei AGN können ganze Sterne vom supermassiven Schwarzen Loch akkretiert werden. In beiden Arten von Schwarzen Löchern erreicht das Material nahe des Schwarzen Lochs eine Temperatur von einigen 100 Millionen Grad. Die dabei entstehende Strahlung wird hauptsächlich im Röntgen- und Gamma-Bereich ausgesandt. Zusätzlich wird in vielen Schwarzen Löchern auch beobachtet, dass ein Teil des akkretierten Materials in einem stark gebündelten "Jet" auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird. Die Elektronen in diesem Jet senden ihre Strahlung hauptsächlich im Radiobereich aus. Jets sind aber auch Quellen für Gammastrahlung, die die H.E.S.S.-Teleskope, und Neutrinos, die das Neutrinoteleskop KM3NeT in den nächsten Jahren messen soll.


Auf allen Kontinenten und per Satellit

Die Physik der Akkretionsprozesse auf stellare Schwarze Löcher, in AGN und auf Neutronensterne ist sehr ähnlich. Vergleichende Untersuchungen dieser Objekte ermöglichen es daher, verschiedene Aspekte der Physik herauszuarbeiten. Während für die Beobachtung im Radiobereich Radioantennen auf der Erde benutzt werden, muss man für die Untersuchung der Röntgen- und weichen Gammastrahlung auf Satellitenobservatorien zurückgreifen. Die Astrophysiker des ECAP nutzen dafür die Satelliten der europäischen, US-amerikanischen und japanischen Weltraumagenturen ESA, NASA und JAXA. Im Bereich der Radioastronomie nutzen ECAP-Wissenschaftler Teleskope auf allen Kontinenten - einschließlich der Antarktis.

Das ECAP ist auch an der Entwicklung neuer Satellitenexperimente in der Röntgen- und Gammaastronomie beteiligt. Das deutsch-russische eROSITA-Experiment, unter Federführung des Max-Planck Instituts für extraterrestische Physik, wird 2013 starten. Es wird den gesamten Himmel nach AGNs absuchen und voraussichtlich drei Millionen neue Schwarze Löcher finden. Das wird zum ersten Mal einen vollständigen Überblick über die Bildung und Entwicklung supermassiver Schwarzer Löcher ermöglichen.


Flaggschiff der Röntgenastronomie

Quellen, die mit Instrumenten wie eROSITA gefunden werden, sollen dann in der Folgezeit mit dem International X-Ray Observatory (IXO) genauer untersucht werden. An den Vorbereitungen zu diesem neuen Flaggschiff der Röntgenastronomie ist ECAP aktiv beteiligt. IXO soll im Jahr 2020 auf eine Bahn um einen Punkt hinter dem Mond gestartet werden und wird drei Milliarden Euro kosten. Aufgrund dieser hohen Kosten sind an IXO Forschungsagenturen in Europa, Amerika und Japan (ESO, NASA, JAXA) beteiligt - ein wahrhaft weltumspannendes Projekt.


SCHWERPUNKT: OPTISCHE ASTRONOMIE

Der kosmische Materiekreislauf, insbesondere die chemische Entwicklung der Sterne und der Galaxis sowie die Spätphasen der Entwicklung von Einzel- und Doppelsternen bilden den Forschungsschwerpunkt der Stellarastronomie des ECAP an der Dr. Remeis-Sternwarte. Grundlage der Forschungen bilden Beobachtungen im optischen Spektralbereich ergänzt um Messungen im Ultravioletten (UV) und Nah-Infrarot. Teleskopzeit wird an den modernen Großsternwarten eingeworben, z.B. an der Europäischen Südsternwarte (ESO) und dem Deutsch-Spanischen Astronomischen Zentrum Calar Alto. Für die UV-Spektroskopie nutzen die Forscher Daten des Hubble Weltraumteleskops und des FUSE-Satelliten.


MUCHFUSS: Die dunkle Seite sichtbar machen

MUCHFUSS heißt das neueste Projekt der ECAP-Astronomen (zusammen mit Kollegen aus England und Belgien), bei dem es um die Suche nach unsichtbaren Begleitern von heißen, unterleuchtkräftigen Sternen geht.

Der Nachweis von Schwarzen Löchern und Neutronensternen ist sehr schwierig und gelingt meist nur unter günstigen Umständen, zum Beispiel in engen Doppelsternen, wenn sie Materie von ihrem nahen Begleiter akkretieren und Röntgenstrahlung emittieren. Bei den meisten Schwarzen Löchern und Neutronensternen wird das jedoch nicht der Fall sein. Wieviele solche "dunklen" Schwarze Löcher und Neutronensterne gibt es in unserer Milchstraße und wie kann man sie sichtbar machen?

Ein nicht oder nur schwach leuchtender Begleiter eines normalen Sterns macht sich durch seine Gravitationsanziehung bemerkbar - beide Komponenten umkreisen den gemeinsamen Schwerpunkt. Der unsichtbare Begleiter verrät sich durch das periodische "Wackeln" des normalen Sterns, das sich durch den Dopplereffekt als periodische Variation der Radialgeschwindigkeit spektroskopisch sichtbar machen lässt. Die meisten der unsichtbaren Begleiter werden allerdings Weiße Zwerge sein, ausgebrannte "Leichen" normaler Sterne. Diese "Feld-, Wald- und Wiesen-Objekte" gilt es bei der Suche zu eliminieren. Dazu braucht man eine Vielzahl von Kandidaten und eine schlaue Auswahlprozedur. Bisher waren viel zu wenig heiße, unterleuchtkräftige Sterne bekannt. Es musste also erst einmal eine Suche gestartet werden. Hier kam der Sloan Digital Sky Survey zu Hilfe, die bisher umfangreichste Himmelsdurchmusterung. In dessen Archiv sind Spektren von über einer Million Himmelsobjekten zu finden, aus denen der ECAP-Doktorand Heiko Hirsch mehr als 1.000 Kandidaten herausfischte.

Doktorand Stephan Geier, gerade von einer anstrengenden Reise zum Very Large Telescope der ESO in der chilenische Atacama Wüste zurück, ist begeistert: "Tolle Ausbeute, ich hab zwei spannende Sterne im Handgepäck." Er sitzt zusammen mit den Kollegen der Sternwarte in einer Besprechung und erläutert seine Resultate: "... der eine wackelt in so kurzer Zeit so heftig - da kann nur ein schwarzes Loch dahinter stecken. Der andere ist das genaue Gegenteil, die Schwankung ist sehr gering, der Begleiter muss ein Leichtgewicht sein, wahrscheinlich ein Planet." Das wäre eine große Überraschung, denn bisher waren fast alle Fachleute davon ausgegangen, dass ein Planet auf einer so engen Umlaufbahn von einem Roten Riesen, der der heiße unterleuchtkräftige Stern ohne Zweifel gewesen sein muss, verschluckt würde.


Raser im Weltall

Die Kandidatenauswahl im MUCHFUSS Projekt hat einen schönen Nebeneffekt. Es werden nämlich auch Sterne gefunden, die gar keine Schwankungen der Radialgeschwindigkeit zeigen, sondern außergewöhnlich schnell durch das Weltall rasen. Im Jahre 2005 wurden erstmals drei Sterne (zwei davon von ECAP-Astronomen) entdeckt, die sich so schnell bewegen, dass sie dem Gravitationsfeld der Milchstraße entkommen und in die Weiten des Alls entfliehen können. Sie haben den Namen Hyper-velocity Sterne (HVS) erhalten. "Nach unserer letzten Beobachtungskampagne haben wir 30 HVS-Kandidaten gefunden, das sind doppelt soviel wie bisher bekannt", fasst Doktorand Alfred Tillich zusammen. "Da wird schon der ein oder andere tatsächlich der Galaxis entfliehen."

Wie werden diese Sterne beschleunigt? Bisher stand das massereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße im Verdacht. "Hier haben wir ein Gegenbeispiel. Der Stern, den ich gerade untersuche, kann nicht aus dem galaktischen Zentrum stammen. Ich habe seine Bahn vermessen, und die führt an den Rand der Galaxis zurück, mitnichten ins Zentrum," so Prof. Uli Heber. Der Stern zeigt eindeutig Anreicherungen bestimmter chemischer Elemente, z.B. des Siliziums, ein untrügliches Zeichen einer Supernova, so das Ergebnis einer Spektralanalyse von Privatdozent Dr. Norbert Przybilla. Dann wäre der Stern Opfer einer gewaltigen Explosion eines super-schweren Begleitsterns gewesen, vielleicht eines "Gamma-Ray bursts".


SCHWERPUNKT: DETEKTORENTWICKLUNG

Thilo Michel geht über den Flur. Der Akademische Rat gestikuliert mit den Händen und erklärt seinem Kollegen Oleg Kalekin: "Die Dunkelrate ist zu hoch. Wir haben die Hochspannung reduziert, aber die Rate ist immer noch zu hoch." Thilo Michel arbeitet an einem neuartigen Photonen-Nachweisgerät, einem "hybriden Photonendetektor". Der Detektor soll mit hoher Empfindlichkeit optische Photonen mit sehr guter Orts- und Zeitauflösung nachweisen können. Seine Erfindung ist mittlerweile zum internationalen Patent offen gelegt. Der Ukrainer Oleg Kalekin ist der Experte des Photomultiplier-Labors des ECAP. "Wir betreiben die Photomultiplier mit einer viel niedrigeren Spannung. Bei hoher Spannung nimmt der Beitrag durch Ionen-Feedback zur Dunkelrate zu" gibt er zu bedenken. Die beiden Wissenschaftler sind mittlerweile im Labor von Thilo Michel angekommen und vertiefen sich in die Ergebnisse von Messreihen.

Das ECAP trägt wesentlich zur Entwicklung und zum Bau von Detektoren bei. Wissenschaftler des ECAP untersuchen in den Laboren konventionelle Photoröhren und hybride Photodetektoren für das Neutrinoteleskop KM3NeT und entwickeln akustische Sensoren für die Untersuchung der akustischen Neutrinodetektion.

Die experimentelle Erfahrung des ECAP sind auch für industrielle und medizinische Anwendungen von Bedeutung. Aus diesem zunächst kleinen Nebenschauplatz hat sich ein wachsender Bereich von Kooperationen mit der Industrie ergeben. So kommen die Investitionen in der physikalischen Grundlagenforschung auch den Anwendern in anderen Bereichen zugute.


Medipix-Kollaboration

Das ECAP ist Mitglied der internationalen Medipix-Kollaboration, einem weltweiten Verbund von 21 Universitäten und Forschungsinstituten, die die Entwicklung von "Photonenzählenden Pixeldetektoren" für unterschiedliche Einsatzbereiche mit Schwerpunkt in der medizinischen Röntgendiagnostik vorantreiben. Die Kompetenzen der Erlanger Gruppe liegen im Bereich des Detektordesigns, der detaillierten physikalischen Modellierung des Detektorverhaltens und der Erarbeitung von Anwendungsmöglichkeiten. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft, das Bundesministerium für Bildung und Forschung, die Bayerischen Forschungsstiftung und vor allem die Industrie fördern diese Projekte.

Der Medipix-Detektor weist einzelne Röntgenphotonen nach und misst ihre Energie. Das ist auch für die medizinische Anwendung interessant - ermöglicht es doch, "farbige" Röntgenbilder anstatt der bisher schwarz-weißen zu erstellen. So ist es möglich, verschiedene Materialien zu identifizieren und dreidimensionale Strukturen zu erkennen.


Innovationspreis für Medizintechnik

Röntgenbilder sind aus der medizinischen Diagnose nicht wegzudenken - die Strahlenbelastung für Patienten ist allerdings hoch. Wissenschaftler des ECAP untersuchen eine neuartige Nutzung der Röntgenstrahlung. Diese könnte die Strahlenbelastung vermeiden oder deutlich verringern. Ähnlich wie ein Lichtstrahl in einem Glas Wasser wird Röntgenstrahlung beim Durchgang durch ein Objekt gebrochen. Der Effekt ist für Röntgenstrahlung winzig, läßt sich aber mit der Methode der "Gitter-basierten Phasenkontrasttechnik" sichtbar machen. Das ECAP koordiniert ein gemeinsames Phasenkontrast-Projekt mit der Firma Siemens und dem Forschungszentrum Karlsruhe. 2008 erhielt das Phasenkontrast-Projekt den "Innovationspreis für Medizintechnik" des Bundesforschungsministeriums.

Darüber hinaus entwickeln ECAP-Wissenschaftler gemeinsam mit dem Forschungszentrum CERN in Genf und der Firma IBA Dosimetry in Schwarzenbruck bei Nürnberg einen neuartigen "Dosepix"-Sensor, mit dem Röntgenstrahlung mit hoher Präzision überwacht werden kann. Die Erfindung wurde mittlerweile patentiert; das Dosisüberwachungsgerät soll 2011 auf den Markt kommen.


STUDIEREN AM ECAP

Ulrike Müller und Wolfgang Schmitt blicken konzentriert auf den Bildschirm. Wolfgang zeigt mit dem Finger auf eine dünne, zackige Kurve: "Das müssen die Wasserstofflinien sein". Zusammen mit den anderen Mitgliedern ihrer Praktikumsgruppe brüten sie über Messdaten, die sie in der Nacht zuvor mit den Teleskopen der Remeis-Sternwarte in Bamberg gemessen haben, während andere Studierende nebenan Messungen der Drehung der Milchstrasse mit einem Radioteleskop aufnehmen. Mit insgesamt ca. 80 Praktikumsplätzen pro Jahr ist das von ECAP an der Remeis-Sternwarte in Bamberg veranstaltete Astronomische Praktikum das größte seiner Art in Deutschland. Und trotzdem gibt es noch eine Warteliste für die insgesamt vier zweiwöchigen Blockpraktika in der vorlesungsfreien Zeit. Hier lernen Studierende vor Ort mit astronomischen Instrumenten das Beobachten und Interpretieren astronomischer Daten. Obwohl die Teleskope viel kleiner sind, als die für die Forschung benutzten, ist die Arbeit an ihnen der an Profiinstrumenten sehr ähnlich. So werden die Studierende zur Forschung mit modernen astronomischen Messinstrumenten hingeführt.

Das Interesse an Astronomie, Teilchenphysik und Astroteilchenphysik zeigt sich an der Universität Erlangen-Nürnberg schon ganz früh: die jüngsten Hörer der Lehrveranstaltungen sind hochbegabte Schüler, die im Rahmen eines Frühstudiums an den Praktika und Vorlesungen der Astronomie teilnehmen. Diese Veranstaltungen sind für Studierende des ersten Semesters gedacht, die Astronomie als Nebenfach im Bachelor-Studiengang Physik wählen.


Früher Kontakt mit der Forschung

Im späteren Studienverlauf gehört die Vorlesung über Teilchenphysik zum Pflichtkanon; weitere Veranstaltungen aus dem Themenbereich des ECAP dienen einer frühen Spezialisierung auf dieses Gebiet. Ein Scheinseminar und die Bachelor-Arbeit können Studierende ebenfalls am ECAP absolvieren. Innerhalb des Masterstudienganges Physik gibt es weitere Vertiefungsvorlesungen.

Neben den Standard-Lehrveranstaltungen wie Vorlesungen, Übungen und Praktika können am ECAP auch Projektarbeiten durchgeführt werden. Das Department Physik veranstaltet im Rahmen des "Elitenetzwerk Bayern" den "Hochbegabtenstudiengang Physik", in dem die Bearbeitung von Projekten zum Pflichtprogramm gehört. Auf diese Weise wird ein früher Kontakt mit der aktuellen Forschung hergestellt. Weiterhin können Studierende auch als studentische Hilfskräfte bei der Bearbeitung von wissenschaftlichen Aufgaben mithelfen.

Mit der Masterarbeit beginnt die Phase der intensiven Teilnahme an der Forschung des ECAP. Von der Entwicklung von Photosensoren für das Neutrino-Teleskop KM3NeT bis zur Analyse von Daten des H.E.S.S-Teleskopsystems gibt es eine Fülle verschiedener Themen, an denen die Studierenden mitarbeiten - die Nachfrage ist groß.


Über den Tellerrand schauen

Neben der fachlichen Ausbildung erwerben Nachwuchsphysiker am ECAP viele zusätzliche Qualifikationen. Sie lernen, komplexe Probleme zu analysieren und zu lösen und in Zusammenarbeit mit anderen Gruppenmitgliedern selbständig die notwendigen Methoden zu entwickeln und zu testen. Sie erwerben Erfahrung in der Anwendung von großen Computer-Programmen, in der Bearbeitung großer Datenmengen und deren statistischer Analyse. Die Studierenden stehen im engen Austausch mit den Wissenschaftlern der internationalen Kollaborationen und gewinnen dabei Sicherheit in der englischen Sprache und in der Kooperation mit Wissenschaftlern aus anderen Ländern.

Was mit der Masterarbeit beginnt, wird häufig im Rahmen einer Promotion weitergeführt und vertieft. Die jungen Wissenschaftler übernehmen zunehmend Verantwortung in den Projekten. Die dabei gewonnenen Erfahrungen sind eine gute Voraussetzung für eine anschließende Berufslaufbahn in der Forschung oder der Industrie. Absolventen des ECAP sind gefragt - sowohl als Postdoktoraden in den führenden Laboratorien weltweit wie auch in verantwortlichen Stellungen in vielen Bereichen der freien Wirtschaft, von der Forschung bis hin zur Unternehmensberatung.


Die "Erlanger Schule"

Nicht nur in der Ausbildung der eigenen Doktoranden ist das ECAP aktiv. Mit finanzieller Unterstützung der Universität Erlangen-Nürnberg und der Helmholtz-Forschungszentren in Karlsruhe und Berlin-Zeuthen veranstaltet es seit 2004 jedes Jahr im Oktober die Deutsche Doktorandenschule für Astroteilchenphysik in der fränkischen Schweiz (www.astroteilchenschule.physik.unierlangen.de), kurz auch "die Erlanger Schule" genannt.

Aus ganz Deutschland kommen die Promotionsstudenten, um sich zehn Tage lang in Vorlesungen, Übungen und eigenen Vorträgen den aktuellen Problemen der Astroteilchenphysik zu widmen. Sie hören mit großer Motivation Vorlesungen, die von angesehenen Forschern aus dem In- und Ausland gehalten werden, und nutzen die Gelegenheit, mit den Experten zu zu diskutieren. So wachsen sie hinein in eine Forschungsgemeinschaft, die fasziniert ist von den großen Geheimnissen unseres Universums.


*


Eine junge Wissenschaft mit Zukunft

Interview mit der geschäftsführenden Direktorin des ECAP, Prof. Dr. Gisela Anton

Frau Anton, warum haben Sie zusammen mit Ihren Kollegen am Department für Physik das ECAP gegründet?

Die Universität hat in den letzten Jahren gezielt durch Neuberufungen im Bereich der Astroteilchenphysik und Hochenergie-Astronomie den Schwerpunkt gestärkt. Da war es ein naheliegender Schritt, die Aktivitäten zu bündeln. Dadurch wird Erlangen in der internationalen Forschungslandschaft der Astroteilchenphysik besser sichtbar.

Die von Ihnen genannten Projekte sind sehr teuer. Wer finanziert die Projekte?

Ja, das stimmt, die Astroteilchenphysik mit ihren großen Geräten benötigt Geld, viel Geld. Das Bundesministerium für Forschung und Technologie fördert im Rahmen der so genannten Verbundforschung die Beteiligung von deutschen Universitätsgruppen an diesen Projekten. Die Verbundforschung ist eine sehr segensreiche Einrichtung für die deutschen Forscher und diese danken es ihrem Ministerium mit herausragenden Forschungsleistungen. Auch die meisten Projekte des ECAP werden auf diese Weise ermöglicht. Insgesamt hat das ECAP im Jahresdurchschnitt eine Drittmitteleinwerbung von drei Millionen Euro.

Wie sind die Wissenschaftler des ECAP in die internationalen Projekte eingebunden?

Die Wissenschaftler des ECAP sind an herausgehobenen Stellen der internationalen Forschergemeinde zu finden: Christian Stegmann ist in leitenden Funktionen für das H.E.S.S.-Experiment tätig, Jörn Wilms arbeitet in vielen internationalen Gremien der Röntgenastronomie mit, Uli Katz leitet die EU-Designstudie für KM3NeT und ich bin "Chairperson of the Institute Board" der ANTARES-Kollaboration. Darüber hinaus tragen Wissenschaftler des ECAP in den Projekten wichtige Verantwortung für den Betrieb der Experimente und für die Analyse der Messdaten.

Wo sehen Sie das ECAP in Zukunft?

Astroteilchenphysik ist eine noch junge Wissenschaft mit großer Zukunft. Wir wollen, dass die Universität Erlangen eine führende Rolle in der Astroteilchenphysik in Europa einnimmt. Mit dem ECAP sind wir einen entscheidenden Schritt in diese Richtung gegangen.

Frau Anton, wir danken Ihnen für das Gespräch.


*


Quelle:
uni.kurier.magazin Nr. 110/September 2009, S. 60-70
Informations-Magazin der
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Herausgeber: Der Rektor
Redaktion: Schlossplatz 4, 91054 Erlangen
Tel.: 09131/85-0, Fax: 09131/85-22131
E-Mail: presse@zuv.uni-erlangen.de
Internet: www.uni-erlangen.de

Das Wissenschaftsmagazin der Friedrich-Alexander-
Universität Erlangen-Nürnberg erscheint 1 x jährlich.
Es informiert seit 1975 über Aktivitäten und Vorhaben
der Universität in den Bereichen Forschung, Lehre und
Hochschulpolitik.


veröffentlicht im Schattenblick zum 24. Februar 2010