Siegel der Universität

Universität zu Köln
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Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Fachgruppe Physik

I. Physikalisches Institut

GREAT observation campaign New Zealand 2015

The GREAT (German Receiver for Astronomy at THz frequencies) receiver is currently observing with SOFIA as part of the 2015 New Zealand campaign. After the highly successful observations of the southern sky in 2013 the GREAT instrument once again was selected to be part of a SOFIA Southern Deployment. This time GREAT is flying with its 1.9 THz und the newly added 4.7 THz receivers. With its currently unique capability of very high resolution spectroscopy at these THz frequencies, GREAT profits from the extremely cold and dry air south of New Zealand. The improved atmospheric transmission leads to a a multifold increase in observation efficiency - particularly important for the high frequency receiver that observes the [O I] fine structure transition of atomic oxygen at 4745 GHz.

With the deplyoment from its homebase in Palmdale, CA, USA, SOFIA demonstrates its unique capability to access the whole sky. The southern sky holds many astrophysically interesting objects such as the Galactic Centre and the Magellanic Clouds and using GREAT's spectroscopic capability their complete velocity structure can be studied. For the astrophysically important [O I] line these observations are one-of-a-kind.

During the deployment SOFIA is stationed at the Christchurch airport and uses the local infrastructure from the US Antarctic program (USAP). So far three of the scheduled six flights are completed (as of July 15) with extremely smooth operations and nearly 100% of the planned observations achieved. The flights can be tracked in realtime using the NASA Asset Tracker.

As member of the (up)GREAT consortium the University of Cologne provides support personnel for instrumentation, software and the observations. In total 6 institute members have joined the 13 strong receiver team with members of the Max Planck Institute for Radioastronomy and the DLR Institute for Planetary Research Berlin.

At the I. Physikalisches Institut the community support flights are funded through grant 50-OK-1103 of the German Aerospace Center DLR as well as the Collaborative Research Center SFB956. SOFIA is a bilateral US-German project that is managed by the NASA and DLR. Members of the (up)GREAT consortium are the Max Planck Institute for Radioastronomy Bonn (PI), the Kölner Observatorium für Submm Astronomie (KOSMA) at the I. Physikalisches Institut, and the DLR Institute for Planetary Research Berlin.

 

Further Information:
NASA Blog: SOFIA 2015 Southern Hemisphere Deployment
Realtime Flight Tracker: NASA AIRBORNE SCIENCE
Latest updates: @SOFIAtelescope Twitter Account
SOFIA Begins 2015 Southern Hemisphere Science Flights
Southern Deployment 2015 Media Kit
SOFIA erkundet den Südhimmel über Neuseeland (German language)

Image credits: Patrick Pütz (University of Cologne), NASA Asset Tracker

(ppü 2015-07-15)

 

GREAT beobachtet den THz Südhimmel

Der GREAT (German Receiver for Astronomy at THz frequencies) Empfänger, mit signifikanten Beiträgen des I. Physikalischen Instituts der Universität zu Köln, wird derzeit während des Neuseeland Südkampagne auf SOFIA eingesetzt. Auf Basis der sehr erfolgreichen Beobachtungskampagne in 2013 wurde GREAT als eins von mehreren Instrumenten ausgewählt um am SOFIA Southern Deployment teilzunehmen.

Eingesetzt werden dieses Mal auf GREAT der bewährte 1.9 THz sowie der neuentwickelte 4.7 THz Empfänger. Insbesondere der 4.7 THz Empfänger, der den [O I] Feinstrukturübergang des atomaren Sauerstoffs bei 4745 GHz beobachtet, profitiert dabei sehr von der kalten und trockenen Stratosphärenluft südlich Neuseelands. Mit der Südkampagne demonstriert SOFIA, Heimatflughafen ist Palmdale, CA (USA), dass es aufgrund seiner Mobilität Beobachtungen des ganzen Himmels ermöglicht. Der Südhimmel bietet viele astrophysikalisch interessante Quellen, die nur schwer oder gar nicht von der Nordhemisphäre beobachtet werden können, wie z.B. das Galaktische Zentrum und die Magellanischen Wolken. GREAT ist mit seinen spektroskopischen Fähigkeiten für die THz-Astronomie derzeit konkurrenzlos und ermöglicht die Beobachtung und Bestimmung der kompletten Geschwindigkeitsstruktur der anvisierten astronomischen Quellen.

Stützpunkt für die Beobachtungsflüge in Neuseeland ist der Flughafen Christchurch unter Verwendung der lokal verfügbaren Infrastruktur des US Antarktis Programms (USAP). Derzeit (Stand 15 Juli) sind bereits 3 von 6 Flügen überaus erfolgreich absolviert worden und es konnten so gut wie 100% des geplanten Beobachtungsprogramms absolviert werden. Die SOFIA Beobachtungsflüge können in Echtzeit vom NASA Asset Tracker verfolgt werden.

Das I. Physikalische Institut hat als wichtiges Mitglied des (up)GREAT Konsortiums 6 Personen für die Kampagne bereitgestellt, welche ihr Knowhow in der Instrumentierung, der Software und der astronomischen Beobachtungen und Datenauswertung einbringen können. Das GREAT Team vor Ort besteht aus insgesamt 13 Personen mit Beteiligung der Institute Max-Planck-Institut für Radioastronomie Bonn und des DLR Instituts für Planetenforschung Berlin.

Am I. Physikalischen Institut wird die Betreuung der Community Science Projekte von (up)GREAT durch Mittel der Deutschen Luft- und Raumfahrt, DLR, Förderkennziffer 50-OK-1103, finanziert, sowie durch Ressourcen des Sonderforschungsbereichs SFB956 unterstützt. SOFIA ist ein bilaterales US-Amerikanisch-Deutsches Projekt, welches von der NASA und DLR geführt wird. Das (up)GREAT Konsortium besteht aus den Instituten Max-Planck-Institut für Radioastronomie Bonn (Projektleitung), dem Kölner Observatorium für Submm Astronomie (KOSMA) am I. Physikalischen Institut und dem DLR Institut für Planetenforschung Berlin.

 

Weiterführende Links:
NASA Blog: SOFIA 2015 Southern Hemisphere Deployment (in englischer Sprache)
Realtime Flight Tracker: NASA AIRBORNE SCIENCE (in englischer Sprache)
Latest updates: @SOFIAtelescope Twitter Account (in englischer Sprache)
SOFIA Begins 2015 Southern Hemisphere Science Flights (in englischer Sprache)
Southern Deployment 2015 Media Kit (in englischer Sprache)
SOFIA erkundet den Südhimmel über Neuseeland

Bildquellen: Patrick Pütz (Universität zu Köln), NASA Asset Tracker

(ppü 2015-07-15)

 

New Multi-pixel Receiver upGREAT for SOFIA

After several years of development the first multi-pixel extension of the GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies), named the upGREAT low frequency array (LFA), was put into operation on SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy). As developer of the superconducting mixers, observation software and resources for testing, operation and data analysis the I. Physikalisches Institut of the Universität zu Köln is a significant contributor to upGREAT, which is built and operated by a consortium of German institutions lead by the Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn.

upGREAT in its final development stage will feature 14 pixels of the LFA at 1900 GHz for, amongst others, observation of the [C II] fine structure transition of the ionized carbon atom, and 7 additional pixels with the high frequency array (HFA) targeting the [O I] fine structure transition of atomic oxygen at 4745 GHz. upGREAT being a heterodyne receiver provides very high spectral resolution data with each pixel, allowing the analysis of the complete velocity structure of the astronomical sources. In comparison to the single pixel receivers of GREAT the significant increase of pixel numbers leads to an overall much improved observational efficiency, which is beneficial for mapping of extended astronomical sources.

Besides the primary goal to collect valuable engineering data and determine the operational parameters and instrument efficiency of the LFA, we were able to record a wealth of high quality astronomical data during the commissioning flights. This data will be further analysed for subsequent publication.

At the I. Physikalisches Institut the hardware and software development for upGREAT as well as its operation are funded through grant 50-OK-1103 of the German Aerospace Center DLR as well as the Collaborative Research Center SFB956.

SOFIA is a bilateral US-German project that is managed by the NASA and DLR. Members of the upGREAT consortium are the Max Planck Institute for Radioastronomy Bonn (PI), the Kölner Observatorium für Submm Astronomie (KOSMA) at the I. Physikalisches Institut, and the DLR Institute for Planetary Research Berlin.

Further information:
DLR Nachrichten: upGREAT – a new far-infrared spectrometer for SOFIA
Informationsdienst Wissenschaft (idw): Erster erfolgreicher Einsatz von upGREAT (German language)
Max Planck Institute for Radio Astronomy: First Successful Mission of upGREAT
Kölner Wissenschaftsrunde: “upGREAT” für die fliegende Sternwarte SOFIA (German language)
SOFIA Science Center
Deutsches SOFIA Institut
Terahertz Detector Development at the I. Physikalisches Institut

Image credits: Robert Simon, Patrick Pütz (University of Cologne)

(fsc 2015-06-05, ppü 2015-07-10)

 

Neuer Mehrpixel-Empfänger upGREAT für SOFIA

Nach mehrjähriger Entwicklungszeit ist die erste Mehrpixel-Erweiterung des Heterodyn-Empfängersystems GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies), das upGREAT low frequency array (LFA) am fliegenden Observatorium SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) erfolgreich zum Einsatz gekommen. Das I. Physikalische Institut der Universität zu Köln ist im Rahmen eines Konsortiums deutscher Institutionen, geführt vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, maßgeblich als Entwickler der supraleitenden Mischer, der Beobachtungssoftware und der Planung, Durchführung und Auswertung der astronomischen Beobachtungen beteiligt.

upGREAT wird in seiner finalen Ausbaustufe 14 Pixel mit höchster spektraler Auflösung bei 1900 GHz („low frequency array“, LFA), insbesondere zur Beobachtung des Feinstruktur-Übergangs des einfach ionisierten atomare Kohlenstoffs [C II], und 7 weiterer Pixel bei 4745 GHz („high frequency array“, HFA) zur Beobachtung des Feinstruktur-Übergangs des atomaren Sauerstoffs [O I] bieten. Aufgrund der Funktionsweise der Heterodyn-Empfänger lässt sich das Signal von jedem der 14 Detektoren spektral hoch aufgelöst analysieren, so dass die vollständige Information über die Geschwindigkeitsstruktur der Quelle gewonnen werden kann. Die Steigerung der Pixelzahl über den der Einzelpixel Empfänger des GREAT Basis-Systems führt zu einer entsprechenden Vervielfachung der Beobachtungseffizienz, was insbesondere der Erstellung von Karten ausgedehnter astronomischer Quellen zugutekommt.

Die Erstinbetriebnahme der 14 LFA Pixel im Mai 2015 war bei den 4 Flügen auf SOFIA derart erfolgreich, dass neben dem Hauptziel dieser Flüge, nämlich die Performance Charakteristika der neuen Empfängerkomponenten im Einsatz zu verifizieren, eine Vielzahl verwertbarer Daten gewonnen wurde, die einer weiteren wissenschaftlichen Verwertung zugute kommen wird.

Die Hard- und Software Entwicklung und der Betrieb des upGREAT Empfängers am I. Physikalischen Institut wird von der Deutschen Luft- und Raumfahrt, DLR, Förderkennziffer 50-OK-1103, finanziert, sowie durch Ressourcen des Sonderforschungsbereichs SFB956 unterstützt.

SOFIA ist ein bilaterales US-Amerikanisch-Deutsches Projekt, welches von der NASA und DLR geführt wird. Das upGREAT Konsortium besteht aus den Instituten Max-Planck-Institut für Radioastronomie Bonn (Projektleitung), dem Kölner Observatorium für Submm Astronomie (KOSMA) am I. Physikalischen Institut und dem DLR Institut für Planetenforschung Berlin.

Weiterführende Links:
DLR Nachrichten: "upGREAT" für die fliegende Sternwarte SOFIA
Informationsdienst Wissenschaft (idw): Erster erfolgreicher Einsatz von upGREAT
Max Planck Institute für Radioastronomie: Erster erfolgreicher Einsatz von upGREAT
Kölner Wissenschaftsrunde: “upGREAT” für die fliegende Sternwarte SOFIA
SOFIA Science Center (in englischer Sprache)
Deutsches SOFIA Institut
Terahertz Detector Development at the I. Physikalisches Institut (in englischer Sprache)

Bildquellen: Robert Simon, Patrick Pütz (Universität zu Köln)

(fsc 2015-06-05, ppü 2015-07-10)

 

Klaus Liebrecht price 2014

(Bild: © Patric Foud)

Marc Peter Westig received the Klaus Liebrecht dissertation price of the Faculty of Mathematics and Natural sciences of the University of Cologne for the year 2014. In his PhD thesis with the title "Quantum limited balanced superconducting 380-520 GHz mixer on a silicon membrane and mesoscopic tunnel devices for terahertz frequencies", he worked on new detector circuits for astronomical applications and on device physics aspects of superconductors out of thermal equilibrium. Key results of his thesis include the experimental proof of the first on-chip superconducting balanced mixer at 500 GHz with quantum limited performance and a new hybrid SIS junction technology, suitable for terahertz frequencies.

(fsc 2015-02-12)

Astrochemical Dating of a Stellar Nursery

An international research team led by scientists from the Coordinated Research Center (CRC) 956 “Conditions and Impact of Star Formation” at the University of Cologne has used observations made with the GREAT instrument on board the SOFIA aircraft observatory and the APEX telescope to date the core of an interstellar cloud that is forming a group of Sun-like stars. This work, to which scientists from the University of Helsinki as well as from the Max-Planck-Institutes for Radio Astronomy (MPIfR) and Extraterrestrial Physics (MPE) contributed, is published in this week’s Nature journal.

More information can be found in the Press Release of the Universität zu Köln.

Scientific Publication: “H2D+ observations give an age of at least one million years for a cloud core forming Sun-like stars”, Nature (2014)
by Sandra Brünken, Olli Sipilä, Edward T. Chambers, Jorma Harju, Paola Caselli, Oskar Asvany, Cornelia E. Honingh, Tomasz Kamiński, Karl M. Menten, Jürgen Stutzki, Stephan Schlemmer

Further Informations:

MPIfR:The Age of Stellar Nurseries
MPE: Astrochemical Dating of a Stellar Nursery
DSI: SOFIA Observations Help Determine the Age of a Star Nursery
DLR: Age of star nursery precisely determined for the first time
Science News: Young suns took at least 900,000 years to arise
Further figures: https://www.astro.uni-koeln.de/news/h2dplus/Figures

Das Alter von stellaren Kinderstuben

Astrochemische Altersbestimmung durch Moleküllinienbeobachtungen mit SOFIA und APEX

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des Sonderforschungsbereichs 956 „Bedingungen und Auswirkungen der Sternentstehung“ an der Universität zu Köln hat Beobachtungsdaten vom GREAT-Empfänger an Bord des Flugzeug-Observatoriums SOFIA sowie vom APEX-Teleskop in Chile dazu verwendet, das Alter eines Sternentstehungsgebiets in einer interstellaren Wolke genau zu bestimmen. Im Zentrum der Wolke entsteht eine Gruppe von sonnenähnlichen Sternen. Das Resultat, zu dem auch Wissenschaftler von der Universität Helsinki sowie der beiden Max-Planck-Institute für Radioastronomie (Bonn) und für extraterrestrische Physik (Garching) beigetragen haben, wird in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Mehr Informationen in der Pressemitteilung der Universität zu Köln.

Wissenschaftlicher Artikel: “H2D+ observations give an age of at least one million years for a cloud core forming Sun-like stars”, Nature (2014)
von Sandra Brünken, Olli Sipilä, Edward T. Chambers, Jorma Harju, Paola Caselli, Oskar Asvany, Cornelia E. Honingh, Tomasz Kamiński, Karl M. Menten, Jürgen Stutzki, Stephan Schlemmer

Weitere Informationen:

MPIfR:Das Alter von stellaren Kinderstuben
MPE: Das Alter von stellaren Kinderstuben
DSI: SOFIA hilft bei der Altersbestimmung von stellaren Kinderstuben
DLR: Wie lange dauert die Geburt eines Sterns?
Weitere Bilder: https://www.astro.uni-koeln.de/news/h2dplus/figures

(sbr 17-11-2014)

Interstellare Moleküle verzweigen sich

Eine Gruppe Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, von der Universität zu Köln und von der Cornell University in Ithaca, NY, USA haben das erste Molekül mit verzweigtem Kohlenstoffgerüst im All entdeckt. Die Wissenschaftler führten eine Liniendurchmusterung von Sagittarius (kurz: Sgr) B2(N) bei 3 mm Wellenlänge mit dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in Chile durch. Dabei fanden sie erstmalig iso-Propylcyanid. Diese Entdeckung, so wie eigene Modellrechnungen deuten darauf hin, dass verzweigte Moleküle recht gewöhlich im All sein könnten. Möglicherweise lassen sich bald noch komplexere Moleküle, wie z.B. Aminosäuren, finden, die bei der Enstehung des Lebens auf der Erde, und vielleicht auch anderswo, eine wichtige Rolle gespielt haben könnten.

Sgr B2(N) ist eine riesige Molekülwolke in der Nähe des Zentrums der Milchstraße, in der viele massereiche Sterne entstehen und in der viele Moleküle entdeckt wurden. Die Gruppe entdecke bereits früher das Isomer n-Propylcyanid, Ethylformiat und Aminoacetonitril. Letzteres könnte als Vorläufer für Glycin, der einfachsten Aminosäure, dienen.

Highlights der Laborspektroskopiegruppe.
Pressemitteilungen des MPIfR in Bonn und der Universität zu Köln.
A. Belloche, R. T. Garrod, H. S. P. Müller und K. M. Menten, Detection of a Branched Alkyl Molecule in the Interstellar Medium: iso-Propyl Cyanide, Science 345 (2014) 1584–1587.


Interstellar Molecules are branching out

A group of scientists from the Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, from the Universität zu Köln, and from the Cornell University in Ithaca, NY, USA have detected in space the first molecule with a branched carbon backbone. The scientists carried out a line survey of Sagittarius (short: Sgr) B2(N) at 3 mm wavelength employing the Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in Chile. They detected for the first time iso-propyl cyanide. This detection as wel as own model calculations suggest that branched molecules could be quite common in space. It may well be that even more complex molecules, such as aamino acids, will be detected in space. These molecules may have played a prominent role for the formation of life on Earth and possibly elsewhere.

Sgr B2(N) is giant molecular cloud close to the center of Milkyway, in which many high-mass stars are being formed and in which many molecules have been detected. The group detected previously the isomer n-propyl cyanide, ethyl formate and aminoacetonitril. The latter could act as a precursor for glycine, the simplest amino acid.

Highlights of the laboratory spectroscopy group.
Press release of the MPIfR in Bonn.
A. Belloche, R. T. Garrod, H. S. P. Müller und K. M. Menten, Detection of a Branched Alkyl Molecule in the Interstellar Medium: iso-Propyl Cyanide, Science 345 (2014) 1584–1587.
(HSPM, 2014-10-06

Measurement of a very accurate transition frequency (1 ppb) of an anion by action spectroscopy

P. Jusko, O. Asvany, A.-C. Wallerstein, S. Brünken, and S. Schlemmer
report in this weeks Physical Review Letters on
Two-Photon Rotational Action Spectroscopy of Cold OH at 1 ppb Accuracy.

An IR-THz double-resonance light induced reaction (LIR) depletion technique was employed to record the fundamental rotational transition J = 1 – 0 of OH near 1.123 THz in a 4 K 22-pole ion trapping machine with an accuray of 1.4 kHz or about one part in a billion. An improvement in accuracy of more than two orders of magnitude was achieved with respect to the previous laboratory measurement.

The article was highlighted as editors' suggestion in PRL.

(hspm 2014-06-27)

Ubiquitous argonium (ArH+) in the diffuse ISM (P. Schilke et al.)

A molecular tracer of almost pure atomic gas

In section 6. Interstellar and circumstellar matter

by P. Schilke, D. A. Neufeld, H. S. P. Müller, et al., A&A 566, A29

It is not entirely unexpected to find that a molecular ion is a tracer for diffuse atomic ISM clouds. It has been known for some time that ions such as HCO+ observed in absorption against the background of point-like radio sources trace low-density, mainly atomic material. More recently, ions such as H2O+ have been detected with Herschel. Nevertheless, it is a surprise to find that argonium (ArH+) can be detected not only in the Crab nebula but also (as shown in the article by Schilke et al.) in clouds along the line of sight to various strong submm sources in the Galactic plane. It is also surprising to find that, based on the diffuse cloud chemistry models, ArH+ likes to live in clouds with a molecular fraction 2n(H2)/n(HI) of approximately 10–3. All molecules are not alike !

The article was marked as Highlight of the week by Astron. Astrophys.

GREAT Far-IR Spectrometer Opens Window to New Science Opportunities

With successful commissioning of its high-frequency channel, the GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) far-infrared spectrometer onboard SOFIA is ready to explore new realms.

Figure 1: First-light observations by the GREAT H-channel on SOFIA: map of planetary nebula NGC 7027 in the neutral oxygen emission line at 63 microns. The effective angular resolution is indicated by the gray circle at lower left. (Credit: GREAT Consortium)
Figure 2: High-resolution spectrum of OI toward the center of NGC 7027 showing complex velocity structure in the outflow. (Credit: GREAT Consortium)

The new so-called H-channel was first tested during SOFIA flights on May 5, 6, and 7, and confirmed to be working perfectly. It is based upon an extremely sensitive superconducting detector, developed and built at KOSMA, I. Physikalisches Institut, University of Cologne and a novel terahertz laser, a so-called quantum cascade laser. With that receiver added, the GREAT instrument is now capable of high-resolution spectroscopy of astrophysically important lines of atomic neutral oxygen [OI] at a wavelength of 63 μm ( frequency of 4.74 TeraHertz).

First-light spectra were obtained towards planetary nebula NGC 7027 (Figure 1). That nebula is an expanding bubble of gas expelled by a dying star with approximately the mass of our Sun, 3,000 light-years away in the constellation of Cygnus. The nebula has been extensively studied at other wavelengths, but only GREAT can resolve the velocities of the expanding envelope in the OI line. The spectrum (Figure 2) represents only 2 minutes of integration, illustrating the superb sensitivity of the GREAT instrument carried into the stratosphere by SOFIA.

GREAT is a Principal Investigator-class instrument for SOFIA, developed and maintained by the Max Planck Institute for Radio Astronomy (PI: Rolf Guesten) and KOSMA at the University of Cologne (Co-I: Juergen Stutzki), in collaboration with the DLR Institute of Planetary Research (Co-I: Heinz-Wilhelm Huebers) and the Max Planck Institute for Solar System Research (Co-I: Paul Hartogh).

SOFIA is a joint project of NASA and the German Aerospace Center (DLR). The aircraft is based at NASA Armstrong Flight Research Center that manages the program. NASA Ames Research Center at Moffett Field, Calif., manages the SOFIA science and mission operations in cooperation with the Universities Space Research Association (USRA) headquartered in Columbia, Md., and the German SOFIA Institute (DSI) at the University of Stuttgart.

For more information about SOFIA, visit:
http://www.nasa.gov/sofia
http://www.dlr.de/en/sofia

For information about SOFIA's science mission, visit:
http://www.sofia.usra.edu
http://www.dsi.uni-stuttgart.de/index.en.html

For information about GREAT, visit:
http://www3.mpifr-bonn.mpg.de/div/submmtech/heterodyne/great/greatmain.html

 

(fsc 2014-06-11)