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Universität zu Köln
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Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

I. Physikalisches Institut

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Die Entwicklung der Interstellaren Materie: Terahertz-Spektroskopie in Weltall und Labor

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kosma

Nach acht Jahren ist die Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) für den SFB 494 ausgelaufen.
Nachfolgend findet sich eine Zusammenfassung und ein Überblick über die einzelnen Teilprojekte.

Zusammenfassung


Der Pferdekopf-Nebel (©AAO)

Der SFB 494 befasst sich mit der Thematik der Entwicklung der interstellaren Materie. In einem Temperaturbereich, der von etwa 10K in kalten Dunkelwolken bis ungefähr 2000K in wärmeren Sternentstehungsgebieten reicht, kann die von der interstellaren Materie ausgesandte Strahlung aufgrund ihrer relativ geringen Energie am besten bei Millimeter-, Submillimeter- und fernen Infrarot-Wellenlängen gemessen werden. Diese Übergangsregion zwischen dem Radio- und Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums ist aufgrund der beträchtlichen technologischen Schwierigkeiten, die sowohl in der Detektion der Strahlung, wie auch in der limitierten Transparenz der Erdatmosphäre gründen, spektroskopisch am wenigsten erforscht. Es ist daher eine wissenschaftlich und technologisch bedeutende Herausforderung der nächsten 10 bis 15 Jahre, an der Erschließung dieses Frequenzbereiches, des Terahertz-Bereiches von etwa 1 THz bis ca. 5 THz, mitzuwirken. Dies beinhaltet nicht nur die astronomischen Beobachtungen und deren astrophysikalische Interpretation, sondern schließt auch die Laborspektroskopie ein. Durch den neuen Sonderforschungsbereich, in dem die in Deutschland maßgeblich auf diesem Gebiet arbeitenden Institute ihre Expertise bündeln, wollen wir uns der Aufgabe stellen, den Terahertz-Bereich der Spektroskopie im Labor und Weltraum zu öffnen, um damit die Entwicklung der interstellaren Gas- und Staubmaterie wissenschaftlich zu erforschen.



Wissenschaftlicher Hintergrund

Der Submm- und FIR-Spektralbereich gibt wegen der relativ niedrigen Energie seiner Photonen Auskunft über physikalische und chemische Vorgänge des kalten (~10K) bis warmen (~2000K) Universums. Eine Reihe von astrophysikalisch besonders interessanten Fragestellungen verleihen diesem Wellenlängenbereich breite allgemeine Bedeutung:

Auch laborspektroskopisch ist der THz-Bereich kaum erschlossen. Er beinhaltet verschiedene spezifische spektroskopische Signaturen, die von fundamentalem Interesse sind:

  1. Gasentladung
    Gasentladung im Labor
    In der Identifizierung von vibrationsangeregten Molekülen liegt ein breites und neues Feld der Molekülspektroskopie, das mit der Öffnung des Terahertzbereiches mit Aussicht auf Erfolg angegangen werden kann: die direkte Spektroskopie der energetisch niedrig liegenden Schwingungen der Kohlenstoffketten- und Kohlenstoffring-Moleküle. Moleküle dieser Art sind in ihrer Komplexität zwischen einfacheren Spezies, die in der Gasphase schon identifiziert wurden, und den PAHs (Polycyclic Aromatic hydrocarbons) einzuordnen. Einer weitverbreiteten Hypothese zufolge stellen die PAHs eines der wichtigen Bindeglieder zwischen den einfachen Molekülen und dem interstellarem Staub (bis zu 1019 Atomen) dar. Die durch Labormessungen ermöglichte direkte Suche nach weiteren dieser kohlenstoffhaltigen Bindegliedern und ihrer Identifikation ist astrophysikalisch von größter Tragweite.
  2. Die energetisch schwach gebundenen van der Waals Komplexe - sowohl neutrale wie auch ionisierte - bilden eine weitere Klasse von Molekülen mit interessanten interstellaren Aspekten. Bisher ist es nicht gelungen solche Komplexe, wie z.B, CO-H2 oder den Dimer CO-CO interstellar nachzuweisen.

Ziel des SFB 494 ist es, in diesem spannenden und ertragreichen wissenschaftlich Feld als gemeinsame, aufgrund unserer bisherigen Erfahrungen und Beiträge sehr starke und kompetente Gruppe von Anfang an wissenschaftlich und technisch mitzuarbeiten.


Struktur des SFB 494

Der SFB 494 bündelt die Expertise und die Ressourcen des Kölner Observatoriums für Submillimeter-Astronomie (KOSMA) am I. Physikalischen Institut der Universität zu Köln, des MPI für Radioastronomie, Bonn, und des astronomischen Institut der Universität Bonn. Die nahezu einmalige Kombination von Laborspektroskopie, instrumenteller Entwicklung für die radioastronomische Beobachtung und direkter Anwendung in astrophysikalischen Fragestellungen hat schon in den vergangenen Jahren im Rahmen des ehemaligen SFB 301, gezeigt, wie erfolgreich ein solcher Ansatz sein kann. Auf wissenschaftlichem Gebiet sind die physikalischen, chemischen und astronomischen Interessen im besten Sinne komplementär. Der SFB 494 bearbeitet eine breite Palette wichtiger Fragestellungen in der Astrophysik der interstellaren Materie und garantiert eine optimale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Teleskope. Mit der Verfügbarkeit des Stratosphären-Observatoriums SOFIA wird sich wegen des dabei zu erschließenden wissenschaftlichen Neulandes noch eine deutliche Verstärkung dieses kombinierten Ansatzes ergeben. Im internationalen Vergleich wird der geplante SFB die Basis für einen erfolgreichen Wettbewerb ermöglichen.

mpi
rai kosma

Die enge Zusammenarbeit der Kölner und Bonner Gruppen erlaubt es, die gesteckten anspruchsvollen wissenschaftlichen und technologischen Ziele zu erreichen. Der rein wissenschaftlichen Arbeit ist eine sehr starke technologische Komponente beigestellt, da die gesamte Instrumentierung selbst entworfen und gebaut werden muss. Instrumentelle Entwicklungen im Terahertzbereich finden technologisch und wissenschaftlich an vorderster Front statt und sind entsprechend aufwendig. Ohne die Unterstützung durch einen SFB wäre es für deutsche Universitätsinstitute unmöglich, sich dieser Herausforderung zu stellen.



Übersicht über die Projektbereiche und Teilprojekte

A Entwicklung des ISM in Galaxien/Phasen des interstellaren Mediums, J. Stutzki, KOSMA
  A1 Großräumige Verteilung und Struktur des ISM, C. Kramer, KOSMA
  A4 NIR/mm-Interferometrie: Instrumentierung und Beobachtung, A. Eckart, KOSMA
  A6/Nachwuchsgruppe
      Aufbau und astronomischer Einsatz eines 1,4 Terahertz Empfängers für APEX und SOFIA, M.C. Wiedner, KOSMA
  A7 (Proposal)
      Umgebung junger Sterne: NIR und FIR Beobachtungen, A. Krabbe, KOSMA
  A8 (Proposal)
      Starbursts in stark rot-verschobenen Galaxien und Quasaren, F. Bertoldi, RAIUB
   
B Zyklen des interstellaren Mediums, K. Menten, MPIfR
  B2 Entstehung massreicher Sterne, F. Wyrowski, MPIfR
  B4 Chemische Komplexität von Molekülwolken, K. Menten, MPIfR
     
C Das ISM in Zwerggalaxien und in galaktischen Halos, F. Bertoldi, RAIUB
  C1 Der Zustand des interstellaren Mediums in Zwerggalaxien und Halos, U. Klein, RAIUB
  C4 (Proposal)
      Nahegelegene PDRs: von diffusen Wolken zu metallarmen Halo-Wolken und das Magellansche System, F. Bensch, RAIUB
     
D Instrumentierung für SOFIA und physikalische Grundlagen der THz Empfängertechnologie, R. Schieder, KOSMA
  D1 Terahertz-Array-Receiver, U. Graf, KOSMA
  D2 Infrarot-Heterodyn-Emfpänger, R. Schieder, KOSMA
  D3 GREAT - das deutsche SOFIA-Heterodyn-Instrument der ersten Generation, R. Güsten, MPIfR
  D4 Physik und Technologie von Terahertz-Heterodynmischern, K. Jacobs, KOSMA
  D5 Entwicklung von monochromatischen Quellen im THz-Bereich, B. Vowinkel, KOSMA
  D6 Entwicklung von Spektrometern, R. Schieder, KOSMA
  D7 (Proposal)
      Digitales Spektrometer mit grosser Bandbreite, F. Bertoldi, RAIUB
     
E Laborspektroskopie bei höchsten Frequenzen, S. Schlemmer, KOSMA
  E1 Düsenstrahl-Spektroskopie, T. Giesen, KOSMA
  E2 Höchstauflösende THz-Spektroskopie, Lewen, KOSMA
  E3 Synthese neuer Moleküle für die Laborspektroskopie, A. Klein, Anorganische Chemie
  E4 (Proposal)
      Laserinduzierte Reaktionen (LIR): Spektroskopie und Dynamik von astrophysikalisch interessanten Ionen , S. Schlemmer, KOSMA
     
V Verwaltung des SFB, J. Stutzki, KOSMA
Sprecher: Prof. Dr. J. Stutzki, I. Physikalisches Institut
Beginn der Förderung: 2000
Beteiligte Fachrichtungen: Experimentalphysik, Astrophysik, Theoretische Physik, Angewandte Physik, Organische und Anorganische Chemie

Einbettung in die deutsche und internationale Infrastruktur

Der Köln/Bonner Raum ist traditionell das Zentrum der Radioastronomie in Deutschland. Dies begann mit dem Bau des 25 m Teleskops auf dem Stockert, betrieben durch die Universität Bonn und setzte sich nach der Gründung des MPI für Radioastronomie fort, das mit dem 100 m Teleskop in Effelsberg, über IRAM mit dem 30 m Millimeterwellen-Teleskop und dem Plateau-de-Bure Interferometer, dem 10 m Heinrich-Hertz-Teleskop maßgebliche Impulse für die instrumentelle Entwicklung und die sukzessive Ausdehnung hin zu kürzeren Wellenlängen setzte. Seit Anfang der 80'er Jahre hat die damals neu etablierte Gruppe um Prof. Dr. G. Winnewisser, finanziert durch den SFB 301 “Die Physik und Chemie der interstellaren Molekülwolken”, diese Entwicklung entscheidend mitgetragen.

effelsberg
Das 100 m Teleskop bei Effelsberg
PdB
Das PdB Interferometer und das 30 m auf Pico Veleta
HHT
Das 10 m Heinrich-Hertz-Teleskop in Arizona

Die in Deutschland vorhandene Expertise, sowohl auf instrumentell-technologischem Gebiet wie auch hinsichtlich der Submm-Astronomie, braucht den Vergleich mit dem internationalen Umfeld nicht zu scheuen. Dies zeigt sich nicht zuletzt an der aktiven Beteiligung der deutschen Institute an wichtigen internationalen Projekten. Gleiches gilt für die Laborspektroskopie: die Kölner Gruppe gehört zu den weltweit führenden Gruppen im neu erschlossenen THz-Bereich und hat insbesondere mit Entwicklung phasenstabilisierter THz-Quellen hier entscheidende Impulse gegeben. Im Rahmen des SFB 494 wollen wir die im Köln/Bonner Umfeld vorhandene Expertise und die gemeinsamen Resourcen koordinieren, um die sich in den nächsten Jahren bei der Öffnung des Ferninfrarot-Spektralbereiches ergebenden Möglichkeiten optimal nutzen zu können. Von der Radioastronomie kommend, liegt der Schwerpunkt dabei auf der hochauflösenden Spektroskopie. Insofern sind die geplanten Aktivitäten komplementär zu den Plänen an anderen Instituten, vor allem am MPI für Extraterrestrische Physik, das ebenfalls langjährige erfolgreiche Pionierarbeit im Gebiet der FIR-Astronomie geleistet hat.


Astronomische Observatorien

Die deutschen Forschungsgruppen haben Zugang zu einer Reihe gut etablierter Observatorien. Im für den SFB besonders relevanten Spektralbereich seien hier erwähnt die IRAM-Observatorien (30 m Teleskop, PdB Interferometer), das CSO und das JCMT auf Hawaii, das 10 m Heinrich-Hertz-Teleskop, das Südpol-Observatorium und das im Rahmen des jetzt ausgelaufenen SFB 301 aufgebaute KOSMA-Observatorium, dessen Betrieb durch die Universitäten Bonn und Köln zusammen mit dem Land NRW unabhängig von der SFB-Infrastruktur gesichert wird.

CSO
Das CSO auf Mauna Kea, Hawaii
JCMT
Das JCMT auf Mauna Kea
astro
AST/RO am Südpol
GG
Das KOSMA Submm-Teleskop auf dem Gornergrat

Neben den etablierten Observatorien sind einige neue Projekte für die Submm- und Ferninfrarot-Astronomie von besonderem Interesse, die nachstehend erläutert werden.

SOFIA
SOFIA, das Stratosphärische Observatorium für Infrarot Astronomie.

SOFIA:

An zentraler Stelle in dem geplanten SFB stehen die astrophysikalischen Untersuchungen mit dem Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy (SOFIA) und die Entwicklung der dafür nötigen Instrumentierung. SOFIA wird neben dem ESA Satelliten Herschel das wichtigste Observatorium für Submillimeter- und Ferninfrarot-Astronomie nach der Jahrtausendwende darstellen. Dieses Observatorium eröffnet den deutschen Physikern und Astrophysikern in internationaler Zusammenarbeit einzigartige Möglichkeiten und eine neue wissenschaftliche Dimension.

Der hier vorliegende SFB beinhaltet an zentraler Stelle Instrumentierung der ersten und zweiten Generation für SOFIA. Die Instrumentierung fügt sich sinnvoll in die anderen in Planung befindlichen Instrumente, sowohl auf deutscher wie auch auf amerikanischer Seite, ein. Die wissenschaftliche Motivation für diese Instrumente ist durch die im Antrag dargestellten Forschungsperspektiven begründet.

Wegen der Beobachtungsmodalitäten (mehrere Flüge pro Jahr für jede Instrumentengruppe und der Einsatzmöglichkeit “experimenteller” Fokalinstrumente unter laborähnlichen Bedingungen) bietet SOFIA die ideale Plattform, fortgeschrittene Studenten und junge Wissenschaftler an einem internationalen Spitzenprojekt zu beteiligen. Damit haben sie die wichtige Möglichkeit, sich direkt dem internationalen Wettbewerb auszusetzen und können sich in diesem Umfeld bewähren und weiter qualifizieren. SOFIA als Observatorium steht Gastbeobachtern offen, die das Observatorium, gegebenenfalls in enger Zusammenarbeit mit den PI-Gruppen, nutzen wollen. Alle an SOFIA mit dem Bau von Instrumenten teilnehmenden Gruppen müssen sich zu dieser Zusammenarbeit mit Gastbeobachtern verpflichten. Insofern erlangt der SFB somit eine wichtige Rolle für alle astronomischen Forschungsgruppen unabhängig von deren direkten Beteiligung.

herschel
Herschel Mission der ESA.

Herschel:

Mittelfristig ist auch die Herschel Mission für das Umfeld des geplanten SFB von Bedeutung. Herschel ist die vierte “ Corner Stone Mission” der ESA und soll nach derzeitiger Planung im Jahre 2007 mit einer Laufzeit von 4 Jahren starten. Das Observatorium hat ein 3-m Teleskop und drei Fokalinstrumente unterschiedlicher Spezifikation, nämlich eine Bolometer-Kamera, ein abbildendes, mittelauflösendes Spektrometer, und einen den langwelligen FIR-Bereich kontinuierlich abdeckenden Heterodyn-Empfänger. Herschel ist weitgehend komplementär zu SOFIA: als kaltes Weltraumteleskop ist die Empfindlichkeit auf schwächste Signale und damit insbesondere für die entfernteren Galaxien besser. Außerdem erlaubt Herschel eine komplette spektrale Abdeckung, während Beobachtungen auf SOFIA immer noch durch eine Vielzahl schmaler atmosphärischer Absorptionslinien behindert werden. Andererseits wird die Detektortechnologie für Herschel, wie bei allen Satellitenprojekten, auf dem jetzigen Zustand eingefroren, während SOFIA mit seinem direkten Zugang zu den Instrumenten über die gesamte Laufzeit mit auf der jeweils aktuellen Technologie basierenden und damit stetig verbesserten Empfängern ausgestattet werden wird.

Für viele der im beantragten SFB angesprochenen wissenschaftlichen Fragestellungen wird Herschel ideale Beobachtungsbedingungen bieten. Durch die geplante instrumentelle Beteilung an Herschel durch KOSMA (SIS-Mischer für einen Frequenzkanal und ein Dual-Array akusto-optisches breitbandiges Spektrometer für den Heterodyn-Empfänger) und das MPIfR (LO-Einheit) ergibt sich ein guter Zugang zu Herschel-Beobachtungszeit. Außerdem wird ein wesentlicher Teil der instrumentellen Entwicklung für SOFIA durch die im Rahmen des Herschel-Programmes gewonnene Expertise gestützt.


APEX
APEX, das Atacama Pathfinder Experiment.

APEX:

Das Max-Planck Institut für Radioastronomie hat zusammen mit dem Astronomischen Institut der Ruhr-Universität Bochum, dem Onsala Space Observatory und dem European Southern Observatory das APEX Teleskop (Atacama Pathfinder EXperiment) nahe des Cerro Chajnantor in der chilenischen Atacama-Wüste errichtet. APEX hat ein 12m Primärspiegel und wird voraussichtlich mit seinen Heterodyninstrumenten den ganzen Frequenzbereich von 200 GHz bis 1.5 THz abdecken können. Der Start des operationellen Einsatzes ist für den Herbst 2005 geplant.

Das APEX-Teleskop ist ein wichtiger Bestandteil für die SFB-Projektbereiche A und B. Die drei wichtigsten Beobachtungsziele sind:

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Das NANTEN2 Observatorium bei Pampa la Bola, Chile.

NANTEN2:

Das mit einem 4 m Teleskop ausgestattete NANTEN2 Observatorium bei Pampa la Bola, in der chilenischen Atacama-Wüste, wird den Südhimmel im Frequenzbereich von 110 GHz bis 880 GHz untersuchen. Das primäre Ziel ist die gross- und kleinskalige Kartierung von CO (Rotationsübergänge bei 460 GHz (J=4→3) und 807 GHz (J=7→6)) und neutralem Kohlenstoff (CI, Feinstrukturübergänge bei 492 GHz und 809 GHz).

Der von KOSMA gebaute SMART Empfänger wird zusammen mit dem ebenfalls bei KOSMA gebauten akusto-optischen Spektrometer (AOS) als Backend die Frequenzen von 460 GHz bis 880 GHz abdecken.

alma
ALMA, das Atacama Large Millimeter Array.

ALMA:

Zum detailliertem Studium vieler astronomisch interessanter Objekte sind interferometrische Meßmethoden unabdingbar. Im Millimeterbereich steht deutschen Astronomen mit dem IRAM PdB Interferometer, welches zur Zeit aus fünf (im Endausbau sechs) 15-m Antennen besteht, das zur Zeit leistungsfähigste Instrument dieser Art zur Verfügung. Entsprechend ist dessen Nutzung in verschiedenen Beobachtungsprojekten im Rahmen des geplanten SFB vorgesehen.

Der große Erfolg der heutigen Millimeter-Interferometer hat zu Plänen für die nächste Generation dieser Instrumente geführt. Angestrebt werden eine wesentlich größere Sammelfläche als heutige Instrumente und das Potential für interferometrische Beobachtungen im Submillimeterbereich. Diese Pläne sollen mit dem Atacama Large Millimeter Array, bestehend aus 64 Atennen der 12-m Klasse auf einem in Chile gelegenen Hochplateau realisiert werden. Diese Entwicklungen sind für die am SFB 494 beteiligten Institute von großem Interesse.


Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses

Die Erfahrung der letzten Jahre hat gezeigt, dass die Diplomanden und Doktoranden der am ehemaligen SFB 301 beteiligten Institute hervorragende Chancen haben, eine angemessene Anstellung zu finden. Ein nicht unerheblicher Teil hat eine “Post-Doc”-Karriere eingeschlagen und arbeitet im Rahmen einschlägiger Projekte vor allem in den USA. Für diese Kandidaten besteht gerade im Zusammenhang mit der im beantragten SFB afuzubauenden Infrastruktur für die Nutzung von SOFIA und die Entwicklungsphase von Herschel und ALMA eine gute Chance, nach einigen Jahren “Post-Doc”-Erfahrung auf entsprechend qualifizierte Stellen in Deutschland zurückzukommen. Gerade SOFIA bildet hier mit dem zum Teil von Deutschland aus mit Personal bestücktem “Science and Mission Operations Center” bei NASA Ames gute Entwicklungsmöglichkeiten für wissenschaftlichen Nachwuchs.

Die Erfahrung hat auch gezeigt, dass die im stärker technologisch orientierten Bereich arbeitenden Doktoranden sehr gute Chancen haben, um Forschungs- und Entwicklungsbereich der Industrie unterzukommen. Die Einbindung in Teamarbeit, die in diesen Projekten notwendige Koordinierung, auch im Rahmen internationaler Zusammenarbeit, sind neben der wissenschaftlichen Qualifikation entscheidende Vorteile bei der Jobsuche.

created by J. Stutzki, A. R. Tieftrunk, and T. Kuhn