Astrophysik an der Universität Wien

Astronomische und astrophysikalische Forschung und Lehre gehen an der Universität Wien teilweise bis in die zweite Hälfte des 14. Jahrhunderts zurück. Das heutige Institutsgebäude - die moderne Universitätssternwarte - wurde im Jahre 1883 eröffnet. Es beherbergt auch heute noch Österreichs größte astronomische Forschungs- und Lehreinrichtung.

Unsere zentralen Forschungsgebiete sind Entstehung und Entwicklung von Galaxien, Sternen und Planeten. Unter Verwendung der neuesten Teleskope bzw. Satelliten von ESO, ESA und NASA sowie mittels leistungsfähiger Großrechner untersuchen die MitarbeiterInnen des Instituts vielfältige Prozesse der Strukturbildung im Universum – von Galaxienhaufen bis zur Größenskala von Planetensystemen. Zu den Brennpunkten der Forschung und Instrumentenentwicklung im Einzelnen:

Beobachtungsorientierte extragalaktische Astrophysik (Leitung: Prof. Bodo Ziegler)

Etwa 500 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden die ersten Galaxien. In den darauffolgenden 13 Milliarden Jahren (bis heute) änderten sie immer wieder ihre Form und Zusammensetzung, aber auch neue Sternsysteme wurden gebildet. Um unser Verständnis des Universums voranzubringen, muss man heute die komplette Entwicklung des Universums betrachten – von unserer Milchstraße bis zurück zu den ersten Galaxien. Dabei geht es nicht nur um die Sternentstehung, sondern um alle physikalischen Aspekte der Galaxienentwicklung. Um sie zu studieren, müssen wir Galaxien mit sehr unterschiedlichen Ansätzen in allen Wellenlängenbereichen – mit Röntgenstrahlen, im optischen Bereich, mit Infrarotstrahlung sowie mit Radiowellen – untersuchen. Wir sprechen vom Multi-Wellenlängen-Ansatz.

Die physikalischen Eigenschaften von Galaxien erheben die ForscherInnen vor allem mit spektroskopischen Methoden. Mit einer speziellen Methode zur 3D-Spektroskopie hat ein Team um Bodo Ziegler jüngst 600 sehr unterschiedlich ausgeprägte Galaxien aus unserer Nachbarschaft über drei Jahre beobachtet und analysiert. Mit der neuartigen Methode konnten diese Galaxien genauer denn je in ihre physikalischen Eigenschaften wie z.B. ihre kinematischen Charakteristika, ihre chemische Zusammensetzung und ihre stellaren Populationen zerlegt werden. Dieses internationale Projekt CALIFA (Calar Alto Legacy Integral Field Area) fand am Calar-Alto-Observatorium im Süden Spaniens statt. In einem weiteren Projekt widmen sich Ziegler und sein Team Galaxien in fünf bis acht Milliarden Lichtjahre Entfernung. Der Schwerpunkt liegt hier auf potenziellen Wechselwirkungen zwischen den Sternsystemen, die dicht in einem Galaxienhaufen beieinander liegen. Auch hier kommen spektroskopische Methoden mithilfe der in der chilenischen Atacama-Wüste stationierten Großteleskope der Europäischen Südsternwarte zum Einsatz.

Interstellares Medium und Sternentstehung (Leitung: Prof. João Alves)

Wie entstehen diffuse interstellare Gaswolken, wie entwickeln sie sich und wie kollabieren sie, um Sterne und Planeten zu bilden? Das ist die zentrale Forschungsfrage von João Alves und seiner Arbeitsgruppe zur Stern- und Planetenentstehung. Um durch die interstellaren Gaswolken zu sehen, nutzt Alves vor allem Infrarotweltraumteleskope wie Herschel sowie die großen ESO-Teleskope.

Ein Forschungsschwerpunkt von Alves ist die dreidimensionale Visualisierung von Daten aus dem All. Ihre 3D-Analysen offenbarten erst jüngst eine optische Täuschung, die bei der bisherigen zweidimensionalen Beobachtung von Sternenkonstellationen nicht zu erkennen war: Der Gouldsche Gürtel in der Milchstraße ist nicht wirklich ein „Sternenring“. Die ihn aufbauenden sogenannten O- und B-Sterne sind zumindest nicht ringförmig angeordnet, wie Alves und seine KollegInnen erkannten. Das stellt die Existenz des seit dem 19. Jahrhunderts beschriebenen Sternengürtels in der Nähe unserer Sonne in Frage. Im Rahmen des internationalen Projektes erstellten die ForscherInnen auch eine erste 3D-Karte der Sonnenumgebung.

Mit ihrer neuartigen 3D-Methode ist Alves’ Gruppe auch beim Satellitenprojekt „Gaia“ der Europäischen Weltraumagentur ESA involviert. Diese Daten ermöglichen es, die Nachbarschaft der Sonne in bisher einzigartiger Auflösung zu rekonstruieren sowie sehr genaue Karten von Sternen und ihrem interstellaren Gas zu erstellen. Sie lassen einen genauen Blick auf unsere lokalen Nachbarn ebenso zu wie sie auch zur Massenberechnung von Sternen dienen. Die ersten Gaia-Daten wurden kürzlich veröffentlicht.

NFN "Bedingungen für habitable Planeten" und Arbeitsgruppe "Star and Planet Formation" (Leitung: Prof. Manuel Güdel)

Die Frage, warum auf der Erde Leben möglich ist und auf anderen Planeten wiederum nicht, beschäftigt Manuel Güdel mit seiner Arbeitsgruppe „Stern- und Planetenentstehung“. In einem großen, gruppen- und institutsübergreifenden Verbund von ForscherInnen ergründet Güdel z.B. die astrophysikalischen Faktoren, die Planeten belebbar – oder im Fachausdruck „habitabel“ – machen.

Das von ihm geleitete Nationale Forschungsnetzwerk hat der FWF erst jüngst bis 2020 verlängert. Wie beeinflussen die Eigenschaften der Sterne die Planeten? Unter welchen Bedingungen überleben manche Uratmosphären auf Planeten und warum verdampfen einige? Welche Eigenschaften muss der Planet mitbringen, um Bedingungen für Leben und vor allem flüssiges Wasser zu schaffen? Und wie müssen letztendlich alle diese Faktoren zusammenspielen, damit am Ende ein habitabler Planet entsteht? Das große Ziel ist, durch unsere Modellierungen ein Gesamtbild über die verschiedenen Faktoren und ihr Zusammenspiel zu gewinnen. Dabei dient dem Team um Güdel zunächst unser Sonnensystem – vor allem die Erde mit ihren Nachbarplaneten Mars und Venus – als Studienfeld. Bei der Erde haben ihre Masse, die Strahlung der Sonne und die astronomische Architektur des Sonnensystems die Entstehung von Leben begünstigt. Die Gruppe arbeitet aber auch an extrasolaren Planetensystemen mit zum Teil ganz anderen Eigenschaften.

Im Zuge eines weiteren Projektes befasst sich Güdels Gruppe zudem mit dem Eigenleben der sogenannten protostellaren Scheiben, also den riesigen Gas- und Staubscheiben, aus denen sich später Planeten bilden können. Es ist wichtig, die protostellaren Scheiben zu verstehen, damit wir verstehen, wo die Planeten herkommen, wo sie sich bilden, wie sie wachsen und wie sie eine erste Atmosphäre anziehen und bilden. Das Projekt wird von der EU, dem FWF und der FFG gefördert.

Gleichzeitig sind Güdels Gruppe sowie weitere ForscherInnen des Instituts für Astrophysik an einer Reihe von Weltraummissionen beteiligt.

Dynamik von Stellarsystemen (Leitung: Prof. Glenn van de Ven)

Die von Prof. Glenn van de Ven geleitete Forschungsgruppe konzentriert sich auf das Verständnis der Struktur und Entwicklung von nahen Galaxien und Sternhaufen. Sie konstruieren fortschrittliche dynamische Modelle, um auf die Verteilung der hellen und dunklen Materie in diesen Sternensystemen zu schließen und um die "fossilen Aufzeichnungen" ihrer Entstehungsgeschichte aufzudecken.

Schwarzschilds Methode der Bahnüberlagerung ist eine leistungsstarke Technik, die die Forschungsgruppe eingesetzt hat, um komplizierte dynamische Modelle von Hunderten von nahen spiralförmigen bis elliptischen Galaxien zu erstellen. Durch Einpassen der aus der (Integralfeld-)Spektroskopie dieser Galaxien extrahierten Stern- und Gasbewegungen gelang es ihnen, ihre intrinsischen Komponenten wie dynamisch heiße Bulges, warme dicke Scheiben und kalte dünne Scheiben sowie akkretierte Komponenten im 6D-Phasenraum zu enthüllen. Die Forschungsgruppe entwickelt einen neuen Code DYNAMITE – DYNamics Age and Metallicity Indicators Tracing Evolution – der die Bahnen zusätzlich mit stellaren Populationseigenschaften wie Alter und Metallizität kennzeichnet, um die Erholung der Galaxienkomponenten zu verbessern und gleichzeitig ihre Entstehungsgeschichte zurückzuverfolgen.

Ergänzend zu den Sternen und dem Gas in Galaxien will die Forschungsgruppe im Rahmen des ERC-geförderten Projekts ArcheoDyn das volle Potenzial von "Kugelsternhaufen als lebende Fossilien aus der Vergangenheit von Galaxien" erschließen. Kugelsternhaufen sind kompakte Sternsysteme mit etwa einer Million Sternen, die aus großen Entfernungen um Galaxien herum beobachtet werden können. Da Kugelsternhaufen typischerweise so alt sind wie das Universum, sind sie somit überlebende Zeugen der Entstehungsgeschichte ihrer Wirtsgalaxien.

Die Mitglieder der Forschungsgruppe waren und sind in einer Reihe von internationalen Kollaborationen aktiv, wie dem SAURON-Projekt, CALIFA Survey, Fornax Deep Survey, Fornax 3D Survey. Durch die Organisation von Konferenzen und Workshops zu einer Vielzahl von Themen verbindet die Gruppe aktiv Forscherkollegen und unterstützt den inhaltlichen Austausch auf internationaler Ebene.

Spätstadien der Sternentwicklung (Leitung: Prof. Franz Kerschbaum)

Sonnenähnliche Sterne werden in den späten Phasen ihrer Entwicklung zu pulsierenden Roten Riesen (auch AGB-Sterne genannt). Sie produzieren expandierende Gas- und Staubhüllen, die in weiterer Folge den interstellaren Raum mit schweren Elementen und Festkörpern anreichern. 

Dadurch wird entscheidendes Rohmaterial für Stern- und Planetenentstehung geliefert. In der von Franz Kerschbaum und Josef Hron geleiteten Arbeitsgruppe werden Fragen wie die folgenden untersucht: Was treibt die "Sternwinde" der Roten Riesen an? Wie können wir Struktur und Zusammensetzung der ausgedehnten Sternhüllen verstehen? Woraus bestehen die - im Ausmaß von bis zu mehreren Erdmassen pro Jahr gebildeten - Staubwolken jener Sterne? Neueste Techniken wie Interferometrie mit dem VLT und dem Radioteleskop ALMA der ESO sowie Weltraumteleskope helfen uns, Antworten auf die gestellten Fragen zu finden.

Weltrauminstrumentation (Leitung: Prof. Franz Kerschbaum)

Der Weltraum bietet der astronomischen Beobachtung ganz besondere Bedingungen. Wir beteiligen uns deswegen schon länger an der Entwicklung einer Reihe  weltraumbasierter Teleskope wie CoRoT, MOST, GAIA und Herschel sowie an der Entwicklung von einschlägigen Datenreduktionsverfahren. 

Aktuell ist das Institut in zukünftige Weltraum-Missionen wie CHEOPS, SMILE, PLATO, EUCLID, ATHENA und SPICA involviert.

Am Institut wurde auch der erste österreichischen Satelliten, BRITE, in Zusammenarbeit mit dem Space Flight Laboratory der Universität Toronto in Kanada und der TU Graz entwickelt. Der Start erfolgte im Februar 2013.

Instrumentation für terrestrische Observatorien

Drei Instrumente des derzeit im Bau befindlichen Extremely Large Telescope werden unter österreichischer Beteiligung - mit Schwerpunkt am Institut für Astrophysik - entwickelt: METIS, MICADO und MOSAIC. Das ESO-Riesenteleskop mit einem Hauptspiegel von 39 Metern Durchmesser soll das weltweit größte Teleskop für sichtbares Licht und das nahe Infrarote werden. An der Weiterentwicklung des Interferometers am ESO Very Large Telescope tragen wir durch Beteiligung am Instrument MATISSE bei.

Weiters betreibt das Institut astronomische Beobachtungsstationen in Wien (u.a. 0.8m Reflektor "vienna little telescope") und auf dem Mitterschöpfl (Leopold-Figl-Observatorium für Astrophysik, u.a. mit 1.5m-Ritchey-Crétien-Teleskop), was einer forschungsnahen Ausbildung und der Öffentlichkeitsarbeit zugutekommt. An den dortigen Spiegelteleskopen können auch neue Instrumente getestet werden. Auch kleinere Radioteleskope für die Bereich der 21cm Linie des neutralen Wasserstoffs sind im Übungseinsatz.