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NOBELPREISE PHYSIK 2002
Erstaunlicher neuer Blick auf das Universum
von Hans Zekl
für astronews.com
17. Oktober 2002

Der Physik-Nobelpreis geht in diesem Jahr an drei Astrophysiker:  Je ein Viertel erhalten der Japaner Masatoshi Koshiba und der Amerikaner Raymond Davis Jr. für ihre grundlegenden Arbeiten zur Erforschung kosmischer Neutrinos. Die andere Hälfte des mit 1,1 Millionen Euro dotierten Preises geht an den amerikanischen Physiker Riccardo Giacconi, der den Grundstein für die Röntgenastronomie legte. astronews.com stellt die drei Preisträger und ihre Forschung in einer kleinen Reihe vor. Heute: Riccardo Giacconi
 

Giacconi

Riccardo Giacconi. Foto: NASA/CXC/SAO

Riccardo Giacconi wurde 1931 in Genua, Italien, geboren und ist heute Staatsbürger der Vereinigten Staaten. Er ist Präsident der Associated Universities Inc. (AUI) in Washington. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann er in Italien und promovierte wie Koshiba mit einer Arbeit über die kosmische Strahlung. 1959 ging er in die USA zum privaten Forschungsinstitut American Science and Engineering Corporation (ASE) und widmete sich unter anderem der kosmischen Röntgenstrahlung. Er und seine Mitarbeiter entwickelten die ersten Röntgenteleskope und betraten damit technisches Neuland.

1962 entdeckten die Wissenschaftler bei einem ballistischen Flug die erste Röntgenquellen außerhalb unseres Sonnensystems. Danach konstruierte Giacconi noch empfindlichere Geräte, die mit Satelliten in eine Erdumlaufbahn gebracht werden sollten. Der erste, UHURU, wurde 1970 von Kenia aus gestartet. Eine Woche später waren Hunderte neuer kosmischer Röntgenquellen entdeckt, mehr als bei allen Experimenten zuvor. Später entwickelte er das Einstein-Röntgenteleskop, das 1978 in Betrieb ging. Auch am Bau des Röntgenteleskops Chandra, das seit 1999 arbeitet, ist er maßgeblich beteiligt.

1973 folgte Giacconi einem Ruf an die Harvard-Universität und wurde 1981 der erste Direktor des Space Telescope Science Instituts, das die wissenschaftlichen Programme des Hubble-Weltraumteleskops betreut. Zwischen 1993 und 1999 war Riccardo Giacconi Generaldirektor der europäischen Südsternwarte ESO in Garching bei München. Die ESO betreibt eine ganze Reihe modernster Großteleskope in Chile. In seine Amtszeit fällt der Bau der vier 8,3m-Teleskope des Very Large Telescope auf dem Paranal. Zur Zeit ist er neben seiner Präsidententätigkeit am AUI noch auswärtiges wissenschaftliches Mitglied am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching und Forschungsprofessor an der John Hopkins Universität in Baltimore, Maryland.

Physik-Nobelpreis"für seine Pionierarbeit in der Astrophysik, die zur Entdeckung kosmischer Röntgenquellen führte"
(aus der Begründung des Nobelpreiskomitees)


"Riccardos Leistungen in der Röntgenastronomie gestatten uns einen erstaunlichen und wunderbaren neuen Blick auf das Universum," erklärt Richard Henry, Professor für Physik und Astronomie an der Johns Hopkins University. Doch bevor es soweit war, mussten viele Hindernisse überwunden werden.

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Die Röntgenstrahlung wurde 1895 von dem deutschen Physiker Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt, der dafür im Jahr 1901 den allerersten Nobelpreis erhielt. Schnell setzten sich die "neuen Strahlen" in der medizinischen Diagnostik und bei Materialuntersuchungen durch, weil sie aufgrund ihrer durchscheinenden Wirkung den Blick ins Innere eines Körpers gestatten. Dagegen sollte ein halbes Jahrhundert vergehen, bevor Astronomen Röntgenquellen im All untersuchen konnten. Für astronomische Beobachtungen vom Erdboden aus, stehen nur drei "Fenster" zur Verfügung: das optische im Wellenlängenbereich von 4000 - 8000 Angstroem (1 Angstroem = 100 milliardstel Millimeter). Dann einige Bereiche im infraroten Wellenlängenbereich von 10000 - 20000 Angstroem des elektromagnetischen Spektrums und das Radiofenster mit Wellenlängen zwischen 1 mm und 15 Meter. Röntgenstrahlen mit ihren Wellenlängen von 0,1 bis 100 Angstroem dagegen werden in der Atmosphäre absorbiert, so dass Röntgenstrahlung aus dem All nicht die Erdoberfläche erreicht. Das klingt merkwürdig, durchdringt sie doch mühelos unsere Körper und andere Stoffe. Aber die Atmosphäre ist so dick, dass die Strahlung nicht bis zum Erdboden durchdringt.

Deshalb müssen Röntgenteleskope ins Weltall gebracht werden. Erste Versuche wurden im September 1949 von Herbert Friedman von der amerikanischen Marine mit erbeuteten deutschen V2-Raketen durchgeführt. Sie hatten mehrere Geigerzähler an Bord, mit denen zum ersten Mal Röntgenstrahlung von der heißen äußeren Sonnenatmosphäre, der Korona, gemessen wurde. Die Strahlung war sehr schwach, nur etwa ein Millionstel der von der Sonne ausgestrahlten gesamten Energie. Viele Astrophysiker hielten deshalb den Bau größerer Röntgenteleskope für nutzlos.

Zusätzlich war ein weiteres Problem zu lösen: Anders als bei optischen Fernrohren, kann man Röntgenstrahlen nicht mit einer Linse oder einem Spiegel fokussieren, weil die Strahlung das feste Material fast ungehindert durchdringt. Fällt Röntgenlicht dagegen streifend auf eine sehr glatte Oberfläche, wird es dort reflektiert. Durch ein System parabolisch und hyperbolisch gekrümmter Spiegel lassen sich dann die Röntgenstrahlen in einem Brennpunkt sammeln und so ein Bild erzeugen.

1959 begann Riccardo Giacconi, damals 28 Jahre alt, diese Grundlagen für den Bau eines Röntgenteleskops auszuarbeiten. Gleichzeitig führte er mit seiner Forschergruppe Raketenexperimente durch, um den Nachweis zu erbringen, dass es im Weltall Röntgenstrahlung gibt. Bei einem Experiment im Juni 1962 wurde überraschend eine starke Quelle entdeckt, die nicht auf der Sonne lag. Außerdem wurde eine gleichmäßiger Hintergrund durch Röntgenstrahlung gefunden.

Diese unerwarteten Entdeckungen waren der Anstoß für die Röntgen-Astronomie. Bis 1967 forschten mehr als ein Dutzend Forschergruppen auf diesem neuen Gebiet. Mit der Zeit wurde die Auflösung und Ortsbestimmung der Röntgenquellen immer mehr verbessert, so dass man sie mit optischen Beobachtungen vergleichen konnte. Die erste entdeckte Röntgenquelle entpuppte sich als ein weit entfernter Stern im Sternbild Skorpion, Scorpius X-1. Weitere wichtige Quellen fand man im Sternbild Schwan. Die meisten entdeckten kosmischen Röntgenstrahler befinden sich in Doppelsternsystemen, bei denen ein Objekt ein anderes sehr kompaktes Objekt, einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch, auf einer engen Bahn umkreist.

Allerdings war es sehr schwierig, mit den bis dahin verwendeten ballistischen Raketen oder hochfliegenden Ballons diese Objekte genauer zu untersuchen. Zu kurz waren die Beobachtungszeiten. Deshalb begann Giacconi mit der Konstruktion eines Satelliten, der den Himmel kontinuierlich nach Röntgenquellen absuchen sollte. UHURU ("Freiheit" auf Kisuaheli) wurde dann 1970 von einer Raketenbasis in Kenia in den Weltraum geschossen. In jeder Woche sammelte er mehr Ergebnisse als alle anderen Experimente zuvor.

Aber UHURU und alle anderen Röntgenteleskope waren nicht in der Lage, scharfe Bilder zu liefern. Erst das von Giacconi konstruierte und 1978 gestartete Einstein-Teleskop zeigte ein scharfes Bild des bis dahin unsichtbaren Röntgenuniversums. Endlich konnten viele Röntgen-Doppelsterne im Detail analysiert werden. Dabei fanden die Astronomen heraus, dass in den meisten Systemen ein Neutronenstern existiert. Neutronensterne sind das Endprodukt von Sternen mit mehr als der zehnfachen Masse der Sonne. Am Ende ihrer Entwicklung explodieren diese Riesensterne als Supernova, wobei sie den größten Teil ihrer Masse mit hoher Geschwindigkeit ins All schleudern. Zurück bleibt der schnell rotierende und stark komprimierte Kern des ursprünglichen Sterns. Der Neutronenstern im Zentrum des Krebsnebels, dessen Supernovaexplosion am 4. Juli 1054 beobachtet wurde, dreht sich in einer Sekunde 30 mal um sich selbst. Die Materie in einem Neutronenstern ist so stark zusammengepresst, dass sich die Elektronen mit den Protonen zu Neutronen verbinden. Ein Stück Neutronenmaterie in der Größe eines Zuckerwürfels würde eine Milliarde Tonnen wiegen.

Die meisten Neutronensterne haben etwa die Masse der Sonne, die sich in einer Kugel mit einem Durchmesser von 20 Kilometern befindet. Bei einem Röntgen-Doppelstern strömt Gas von dem normalen Stern zu dem kompakten Objekt. In dem starken Schwerefeld des Neutronensterns wird es auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Schließlich wird es beim Auftreffen auf dessen Oberfläche stark abgebremst und so stark aufgeheizt, dass es im Röntgenbereich leuchtet. Auch normale Sterne konnten mit dem Einstein-Teleskop erstmals beobachtet werden. Überreste von Supernova-Explosionen waren zu sehen, sowie Röntgenstrahlungsausbrüche in den aktiven Kernen entfernter Galaxien. Eine der überraschendsten Ergebnisse war die Entdeckung, dass die Galaxien in einem Galaxienhaufen von einem heißen intergalaktischen Gas umgeben sind, das Röntgenstrahlung aussendet.

Schon 1976 initiierte Giacconi ein noch größeres Röntgenobservatorium, das aber erst 1999 gestartet wurde: Chandra, das nach dem indischen Nobelpreisträger und Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekar benannt ist. Damit erhalten die Forscher außergewöhnlich detaillierte "Röntgenbilder".

Dank der Röntgenastronomie und seinen Pionieren, allen voran Giacconi, hat sich unser Bild des Universums entscheidend gewandelt. Vor 50 Jahren befand sich das Universum scheinbar im Gleichgewicht und alle Entwicklungen gingen extrem langsam und gemächlich vonstatten. Heute wissen wir, dass im Universum auch extrem schnelle und heftige Ereignisse stattfinden, bei denen enorme Energiemengen in weniger als einer Sekunden freigesetzt werden. Dabei spielen auch Objekte eine Rolle, die nicht viel größer als die Erde sind, aber eine extrem hohe Dichte besitzen. Ein Jahrhundert nach der Entdeckung der Röntgenstrahlung sind Röntgenteleskope für das Verständnis der Struktur und Entwicklung der Sterne, Galaxien und des Universums unentbehrlich geworden.

Links im WWW
Nobel e-Museum
The Chandra X-ray Observatory Center
siehe auch
Physik-Nobelpreisträger 2002: Raymond Davis Jr.
Physik-Nobelpreisträger 2002: Masatoshi Koshiba
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