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Die COSI-Mission der Astrophysik

02.03.2023

Die Universitäten Mainz und Würzburg bereiten die deutsche Beteiligung am neuen NASA-Weltraumteleskop COSI vor. Bei einem Kick-off Meeting in Mainz steckten sie den Rahmen für das Forschungsprogramm ab.

Das Team von COSI Germany (v.l.) Professor Uwe Oberlack (Mainz), Dr. Hiroki Yoneda (JMU), Saurabh Mittal (JMU), Dr. Thomas Siegert (JMU), Dr. Savitri Gallego (Mainz), Professor Karl Mannheim (JMU) und Jan Lommler (Mainz).
Das Team von COSI Germany (v.l.) Professor Uwe Oberlack (Mainz), Dr. Hiroki Yoneda (JMU), Saurabh Mittal (JMU), Dr. Thomas Siegert (JMU), Dr. Savitri Gallego (Mainz), Professor Karl Mannheim (JMU) und Jan Lommler (Mainz). (Bild: Uwe Oberlack / Universität Mainz)

Mit einem zweitägigen Workshop, zugleich ein Kick-off Meeting, haben die Universitäten Mainz und Würzburg die deutsche Beteiligung am NASA-Satelliten COSI vorbereitet. Aus Mainz ist die Gruppe von Professor Uwe Oberlack vom Exzellenzcluster PRISMA+ beteiligt, aus Würzburg die Gruppe um den Astrophysiker Dr. Thomas Siegert.

Das Gammastrahlenteleskop mit dem Namen Compton Spectrometer and Imager (COSI) wird die jüngste Geschichte der Sternentstehung, von Sternexplosionen und der Bildung chemischer Elemente in der Milchstraße untersuchen, die für die Entstehung der Erde selbst entscheidend waren. Es wird vom Space Sciences Laboratory der University of California Berkeley geleitet und soll 2027 als neueste „kleine Astrophysik-Mission“ (Small Explorer) der NASA starten. Im Oktober 2021 hatte die NASA COSI aus 18 eingereichten Vorschlägen als neues Weltraumteleskop ausgewählt.

COSI wird die Gammastrahlung radioaktiver Atome untersuchen, die bei der Explosion massereicher Sterne entstehen, um zu kartieren, wo in der Milchstraße chemische Elemente entstanden sind. Die Mission wird auch den mysteriösen Ursprung der Positronen in unserer Galaxie erforschen, die auch als Antielektronen bekannt sind – subatomare Teilchen, die die gleiche Masse wie Elektronen, aber eine positive Ladung haben. Ein weiteres wichtiges Ziel ist die Suche nach Strahlung, die von Teilchen der Dunklen Materie erzeugt wird.

Förderung kommt vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Die deutsche Beteiligung an COSI ist eine Kooperation des Lehrstuhls für Astronomie der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und des Mainzer Exzellenzclusters PRISMA+ und wird durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert.

Besonders interessant an der Mission ist die neue Thematik der „Megaelektronenvolt (MeV)-Gammaastronomie“, denn sie erlaubt die Beobachtung des Himmels in einem Bereich der elektromagnetischen Strahlung, der noch weitgehend unerforscht ist. Frühere Missionen unter führender deutscher Beteiligung, wie das erste Compton-Teleskop COMPTEL auf dem Compton Gamma-ray Observatory der NASA in den 90er-Jahren und das europäische Teleskop INTEGRAL in den letzten 20 Jahren, haben im Hinblick auf die Empfindlichkeit der Himmelsdurchmusterung nur die hellsten Quellen sehen können. COSI wird hier deutlich empfindlicher.

Dieser Energiebereich ist aber nicht nur wenig erforscht, er ist auch besonders interessant, weil er den Bereich der Energieniveaus in Atomkernen darstellt, die Ruheenergie der Positronen umfasst sowie die Suche nach Dunkler Materie in einem bisher nicht zugänglichen Bereich ermöglicht. Kürzliche Hinweise auf astrophysikalische Neutrinos könnten auf Quellen hindeuten, die im MeV-Energiebereich sichtbar sein könnten. „COSI wird dutzende Quellen innerhalb und außerhalb der Milchstraße detektieren und dadurch den Weg frei machen für noch größere Weltraumteleskope”, sagt Thomas Siegert.

Neues Beobachtungsfenster für die Suche nach Dunkler Materie

„Die COSI Mission hat vielfältige Anknüpfungspunkte zum Forschungsprogramm von PRISMA+“, erläutert der Mainzer Experimentalphysiker Professor Uwe Oberlack. „Einer von ihnen ist das Forschungsfeld der Antimaterie – mit Blick auf die Suche nach galaktischen Positronen, ein anderer die Suche nach Dunkler Materie. Das ist deshalb spannend, da als Alternative zu schwereren hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie, sogenannten WIMPs, zunehmend auch Teilchen bei leichten Massen im MeV-Bereich als Kandidaten für diese exotische Materieform diskutiert werden. Hier wird COSI ein neues Beobachtungsfenster für die Suche nach Dunkler Materie mit Gammastrahlen öffnen. Auch die Multimessenger-Astronomie im Hinblick auf die Suche nach kosmischen Neutrinos, die wir bei PRISMA+ mit dem IceCube Experiment betreiben, könnte von der neuen Mission profitieren.“

Untersuchung der Jets von Mikroquasaren

Dr. Thomas Siegert ergänzt: „Der Würzburger Lehrstuhl für Astronomie ist mit seinen vielfältigen Arbeitsgruppen passgenau für dieses Vorhaben aufgestellt. Mit COSI können wir die Jets von Mikroquasaren untersuchen, also Doppelsterne mit einem Neutronenstern oder einem schwarzen Loch. So stellen wir fest, ob diese Quellen auch große Mengen an Positronen erzeugen. In Würzburg arbeiten wir gemeinsam an Jet-Modellen auf allen Größenskalen — von kleinsten schwarzen Löchern bis hin zu aktiven Galaxienkernen. Des Weiteren interessieren wir uns für die Bildung chemischer Elemente in Sternen und durch Supernovae. Diese kann mittels COSI besonders detailliert untersucht werden, da die radioaktiven Elemente charakteristische Gammastrahlen aussenden, die sich dank COSIs hoher spektraler Auflösung voneinander unterscheiden lassen. So lernen wir, warum die Verteilung der Elemente in der Milchstraße so ist, wie sie ist."

Guter Start für das COSI-Team Deutschland

Beim Workshop in Mainz Ende Februar 2023 wurden zunächst die COSI-Kollaboration und der Status der Vorbereitungen zum Beispiel im Hinblick auf die Datenanalyse vorgestellt. Anschließend diskutierten die Teilnehmer die geplanten Arbeitspakete, aktuelle Forschungsfragen und den momentanen Stand der Vorbereitung. Im Ergebnis war es ein sehr guter Start, um das COSI-Team in Deutschland zu formen und die nächsten Schritte abzusprechen. Eines ist jetzt schon klar: Der Start der Mission wird von allen Beteiligten mit großer Spannung erwartet.

Weblinks

AG Uwe Oberlack

AG Thomas Siegert

NASA-Pressemitteilung

Infos zu COSI

Weitere Bilder

Von Dr. Renée Dillinger-Reiter / Universität Mainz

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