Die Physik stimmt

Gerade mit der Physik ist das Emmy Noether-Programm der DFG vielfältig verbunden. Einerseits wurde hier mit der „Panelbegutachtung“ erstmals die inzwischen etablierte gemeinsame Vorstellung der Antragsteller eingeführt. Andererseits war es auch für viele Physikerinnen und Physiker das Sprungbrett in die wissenschaftliche Karriere. Einige Beispiele – auch im Jahresbericht 2009 nachzulesen – zeigen sich im Großen und im Kleinen, beim Griff nach Sternen und Atomen.

Geburt von Sternen und Planeten

Für die Forschung im Parabelflug
Für die Forschung im Parabelflug - in der Schwerelosigkeit untersuchen junge Physiker der Arbeitsgruppe von Gerhard Wurm die Entstehung von Planeten
© ESA
Um die Entstehung von Planeten zu erforschen, greift Gerhard Wurm auch schon mal zur Armbrust. Seit 2009 hat der Astrophysiker an der Universität Duisburg-Essen die Professur für Experimentelle Physik inne. Im sogenannten Tell-Experiment lässt er unter anderem mitilfe der bogenähnlichen Waffe Staubklumpen mit rund 100 Metern pro Sekunde aufeinanderprallen, um herauszufinden, ob der Prozess des Wachstums von Himmelskörpern durch Kollision überhaupt realistisch ist und welche Rolle Größe und Geschwindigkeit der Teilchen spielen.

Auch in Experimenten im Fallturm, bei Parabelflügen oder an Bord eines Space Shuttle versucht Gerhard Wurm, den fundamentalen Prozessen hinter der „Klumpenbildung“ im Universum auf die Spur zu kommen. Die Frage, wie Gas, Licht und Strahlung im Kosmos darauf Einfluss nehmen, ist ebenso zentral. So führt der Astrophysiker in Duisburg jene Arbeiten fort, die er mit seiner Emmy Noether-Nachwuchsgruppe an der Universität Münster begonnen hatte.

Gerhard Wurm gehört zur Forschergruppe „The Formation of Planets: The Critical First Growth Phase“, die an fünf Universitäten sowie am Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie angesiedelt ist. Sie befasst sich mit der Entstehung von Planeten – und damit mit einer Schlüsselfrage der modernen Astrophysik. Mit dabei sind drei ehemalige Emmy Noether-Geförderte: neben Gerhard Wurm auch Ralf Stephan Klessen und Sebastian Wolf.

Zu den Hauptforschungsgebieten von Ralf Stephan Klessen von der Universität in Heidelberg gehört die theoretische Modellierung der Sternentstehung, deren „Nebenprodukte“ die Planeten sind. Aufschluss geben dabei Betrachtungen zu den physikalischen und chemischen Verhältnissen in Gaswolken, aus denen sich junge Sterne bilden. Schon während seiner Zeit als Emmy Noether-Geförderter am Astrophysikalischen Institut Potsdam (AIP) legte der jetzige Professor den Grundstein für diese Arbeiten. Mit dem Projekt seiner Nachwuchsgruppe zur „Sternentstehung durch Kollaps in turbulenten Molekülwolken“ erweiterte er die numerischen Modelle und vertiefte so unser theoretisches Verständnis von der Geburt der Sterne.

Im Forschergruppenprojekt des Heinz Maier-Leibnitz-Preisträgers Sebastian Wolf von der Universität in Kiel kommen Theorie und Beobachtung zusammen. Dabei versprechen vor allem neue Instrumente am Very Large Telescope und Observatorien wie das im Bau befindliche Atacama Large Millimeter Array tiefere Einblicke. „In der Theorie sind die Prozesse rund um das Planetenwachstum bereits beschrieben“, sagt Sebastian Wolf.

„Wir versuchen nun, Vorhersagen zu messbaren Größen zu machen, die wir mit astronomischen Beobachtungen überprüfen können. Gleichzeitig geben wir damit auch Impulse für die Entwicklung neuer Geräte.“ Auch Sebastian Wolf hat bereits mit seiner Emmy Noether-Nachwuchsgruppe am Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie intensiv zu diesem Thema geforscht.

Dass die Forschergruppe bei ihren Untersuchungen auf dem richtigen Weg ist, illustrieren nicht zuletzt die Experimente Gerhard Wurms. Sie zeigen, dass das Wachstum von Planetenvorläufern, den „Planetesimalen“, bei langsamer Staubansammlung funktioniert. „Das ist wie bei einem Schneeball, den man an die Wand wirft“, erläutert der Astrophysiker Gerhard Wurm. „Da spritzt zwar auch etwas weg, aber die Wand hat einen Massenzuwachs.“

Gleichzeitig spielen die Kieler Ergebnisse den anderen Teilprojekten der Forschergruppe in die Hände. „Unsere Messungen ermöglichen auch eine Eichung der Theorien beispielsweise der Kollegen in Braunschweig und Heidelberg, die dann das Wachstum größerer ‚Klumpen’ simulieren“, berichtet Gerhard Wurm. So greifen Experiment und theoretische Vorhersagen bei „The Formation of Planets: The Critical First Growth Phase“ immer wieder ineinander.

Nachrichten aus dem All

Im ewigen Eis
Im ewigen Eis - Anna Franckowiak aus der Arbeitsgruppe von Marek Kowalski wirkte am geografischen Südpol bei der Installation der sogenannten IceCube-Strings mit
© Anna Franckowiak

Auch im ewigen Eis der Antarktis sind mehrere Emmy Noether-Geförderte kosmischen Ereignissen auf der Spur. Als Teil einer internationalen Kooperation wollen sie im „IceCube-Experiment“ mit einer riesigen Versuchsanordnung am Südpol die extrem schwer zu entdeckenden kosmischen Neutrinos aufspüren. Von ihnen erhofft sich die Wissenschaft Erkenntnisse über Sternenexplosionen, Zusammenstöße von Schwarzen Löchern oder Neutronensternen. Ein weiteres Ziel der Forschung ist die Suche nach der Dunklen Materie. Ihre geringe Wechselwirkung macht Neutrinos zu einem spannenden Forschungsgebiet der Astroteilchenphysik. Denn anders als geladene Teilchen bringen sie Informationen direkt von ihrem Ursprungsort im Universum mit.

„Neutrinos sind wie Nachrichten aus dem All“, betont auch Elisa Resconi vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg. „Unsere Aufgabe ist es, sie zu entschlüsseln.“ Mit ihrer Emmy Noether-Nachwuchsgruppe sucht Resconi, die mittlerweile in der zentralen Position einer „Analyse-Koordinatorin“ am IceCube-Experiment mitwirkt, nach astrophysikalischen Objekten, die Neutrinos emittieren – und nach möglichen Formen der Teilchenbeschleunigung, die nicht in thermischen Prozessen erzeugt werden.

Ein weiterer Emmy Noether-Geförderter im IceCube-Experiment ist Marek Kowalski, der 2009 eine Professur an der Universität in Bonn erhielt. Er wendet sich Elektron-Neutrinos und Tau-Neutrinos zu, die nur sehr kurze Laufstrecken haben. „Wir können die Energie dieser nur wenige Meter langen ‚Lichtblitze’ sehr genau bestimmen und sie von der Untergrundstrahlung unterscheiden“, erklärt Kowalski. Um Supernova-Explosionen oder Gammastrahlenblitze (Gamma Ray Bursts) im Universum besser verstehen zu lernen, hat er die Datenausbeute von IceCube mit den Beobachtungen von robotischen Teleskopen in einem Online-System gekoppelt.

 

„Sobald wir etwas messen, fixieren die Teleskope das betreffende Stück Himmel mit Röntgen-, Radio- oder Lichtwellen“, erläutert Marek Kowalski. „Wenn der Detektor ganz fertig ist, hoffen wir, solche Ereignisse dann ‚live’ beobachten zu können.“ Für die nur einige Sekunden dauernden Gamma Ray Bursts ist das System derzeit aber noch ein wenig zu langsam. In den Sternen steht auch, ob die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesbezüglich etwas finden. Aber Marek Kowalski ist guter Dinge. Und: „Wissenschaft ist eben immer auch Abenteuer.“

Das fundamentale Zusammenspiel

Ein weiteres Beispiel für den Erfolg des Emmy Noether-Programms in der Physik ist Markus Oberthaler von der Universität Heidelberg. Er ist inzwischen berufener Professor und stellvertretender geschäftsführender Direktor am Kirchhoff-Institut für Physik. Und er fungiert seit kurzem auch als Sprecher der DFG-geförderten Heidelberger Graduiertenschule „Fundamentale Physik“, die sich mit Astronomie, kosmischer Physik, Kosmologie und Teilchenphysik sowie der Physik komplexer Quantensysteme beschäftigt. Hier lernen rund 200 Doktoranden aus aller Welt die tiefen Wechselwirkungen kennen, die zwischen den einzelnen Disziplinen bestehen: beste  Voraussetzung für eine neue Physikergeneration, die auf interdisziplinäre Weise dazu ausgebildet werden soll, dort zu arbeiten, wo scheinbar getrennte Gebiete der Physik aufeinandertreffen.

In seiner Emmy Noether-Nachwuchsgruppe befasste sich Markus Oberthaler mit einem damals neuen Modell, das die Konzepte der nichtlinearen Lichtoptik auf quantenmechanische Wellen von ultrakalten Atomen anwendet – einem Thema, dem der Wissenschaftler heute noch nahesteht. Als er vor zehn Jahren bei der DFG seinen  Projektantrag stellte, war es noch undenkbar, die von ihm untersuchten „Squeezed States“ experimentell direkt zu erzeugen: Im Jahr 2009 erreichte er dieses Ziel. Ein erster Schritt zum Erfolg war die Entdeckung von „Solitonen“ genannten Atomensembles, die beieinander bleiben, obwohl sie nach den Vorgaben der klassischen Physik eigentlich auseinanderfliegen müssten. Inzwischen kann Markus Oberthalers Gruppe kalte Gaswolken aus weniger als tausend Atomen herstellen. Dadurch ist es unter anderem möglich, den quantenmechanischen Effekt des „Tunnelns“ ganzer Gaswolken experimentell zugänglich zu machen. „Nun geht es darum, unsere Messungen noch präziser zu machen und die Teilchenzahlen innerhalb der Gaswolken voll zu kontrollieren“, sagt Markus Oberthaler. Außerdem hat er ein Projekt mit Umweltphysikern begonnen, das dank seiner Methoden das Alter von Wasser genau bestimmen und so den Temperaturverlauf der vergangenen tausend Jahre verfolgen soll.

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