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Einsteinfeier 2011 - Verleihung der Einstein-Medaille
Am 27. Mai 2011 wurden die beiden Astrophysiker Saul Perlmutter und Adam G. Riess mit der Einstein-Medaille geehrt. Die Albert Einstein Gesellschaft anerkennt damit ihre führende Rolle bei astronomischen Beobachtungen von Supernovae vom Typ Ia, die zu den ersten Hinweisen auf die beschleunigte Ausdehnung des Universums führten.
Im Auditorium Maximum der Universität Bern hielten beide Laureaten je einen Vortrag; Perlmutter über die ausserordentlich aufwändige und schwierige Aufgabe, am Himmel weit entfernte Supernovae vom Typ Ia zu finden, Riess über seine persönliche Arbeit bei der Durchmusterung des Himmels nach solchen Supernovae. Die beiden Amerikaner nahmen vom Präsident der Albert Einstein Gesellschaft Hans-Rudolf Ott die Einstein-Medaille in Empfang. Die Laudatio hielt Philippe Jetzer, Präsident des Kuratoriums.
Saul Perlmutter, Adam G. Riess
In beiden Vorträgen ging es um die Frage, wie man die Ausdehnung des Universums astrophysikalisch ausmessen kann. Das von ihnen favorisierte Prinzip ist immer noch dasselbe, mit dem Edwin Hubble in den zwanziger Jahren des letzten Jahrhunderts Anzeichen eines nicht statischen, d.h., eines sich ausdehnenden Universums gefunden hat. Er stellte fest, dass Galaxien, je weiter sie von uns entfernt sind, desto rotverschobener ihr Licht bei uns ankommt. Die Entfernung kann man aus der Helligkeit bestimmen, wenn man weiss, mit welcher absoluten Lichtleistung die Galaxie ihr Licht aussendet. Die pro Zeiteinheit ausgestrahlte Energie verteilt sich auf eine immer grössere Kugeloberfläche, d.h. die Intensität nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Die Geschwindigkeit (in Blickrichtung Erde-Galaxie), mit der sich eine Galaxie von uns weg oder auf uns zu bewegt, verschiebt das Galaxien-Lichtspektrum wegen dem Dopplereffekt entweder zu grösseren Wellenlängen (Galaxie bewegt sich von uns weg, Rotverschiebung) oder kleineren Wellenlängen (Galaxie bewegt sich auf uns zu, Blauverschiebung).
Hubble fand heraus, dass diese Bewegungen nicht statistisch verteilt sind, sondern dass Galaxien im Mittel umso schneller von uns wegstreben, je weiter sie von uns entfernt sind. Da die Milchstrasse kaum ein ausgewählter Punkt des Universums sein kann, lässt sich diese Tatsache nur so erklären, dass sich alle Galaxien voneinander wegbewegen: das Universum dehnt sich aus. Das Auseinanderstreben ist ein grossräumiger Effekt und schliesst nicht aus, dass sich einzelne Galaxien auch auf uns zu bewegen können. So wird sich etwa der Andromedanebel in einer Milliarde Jahre mit unserer Milchstrasse „verbinden“.
Heutige Messmethoden erlauben Bestimmungen bis zu Fluchtgeschwindigkeiten von über der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit. Galaxien mit solchen Geschwindigkeiten sind etwa 2000Mpc oder 6.5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Die letzten 80 Jahre waren geprägt von ständigen messtechnischen und prinzipiellen Verbesserungen, die Korrelation zwischen Fluchtgeschwindigkeit und Abstand quantitativ nachzuweisen. Wichtigstes Resultat dieser Bemühungen ist sicher die allgemein akzeptierte Tatsache, dass unser Universum vor 13.6 Milliarden Jahren mit einem Big Bang begonnen hat. Seit den neunziger Jahren des letzten Jahrhunderts deuten die Messungen auf eine beschleunigte Ausdehnung des Universums hin. Eine Möglichkeit, mit der beide Laureaten arbeiten, besteht darin, Supernovae zu beobachten. Eine Supernova ist eine Sternexplosion, die derart fulminant ist, dass ihr Licht ohne weiteres das einer Galaxie überstrahlen kann! Der Prozess zieht sich über einige Wochen hin, angeführt von einem Intensitätsmaximum, welches ein paar Tage dauert.
Vortrag Saul Perlmutter
Bereits in den 1930er Jahren schlugen Baade und Zwicky vor, die Beobachtung von Supernovae für den Nachweis der von Hubble gefundenen Ausdehnung des Universums heranzuziehen. Der Ausbruch einer Supernovae ergibt bei den meisten Sternen etwa eine gleiche absolute Helligkeit, d.h. die Sterne wirken bei diesem Prozess wie Standardkerzen und man kann aus der Beobachtung der relativen Helligkeit auf die Distanz schliessen. Richtig gute Standardkerzen wurden erst in den 1980ern gefunden, nämlich Typ Ia Supernovae. Solche treten etwa einmal alle 500 Jahre pro Galaxie auf. Da die Explosionen zufällig auftreten, ist es also ein grosses Glück, wenn man gerade zur richtigen Zeit am richtigen Ort hinblickt!
Professor Saul Perlmutter bei seinem anschaulichen und lebendigen Vortrag
Saul Perlmutter skizzierte nach, wie mittels der neu entwickelten CCD-Kameras und Bilderkennungsprogrammen, die Suche nach solchen Ereignissen automatisiert werden kann. Man kann nämlich sehr viele Galaxien immer wieder fotografieren, aber einen Computer nach auffälligen Helligkeitsänderungen suchen lassen.
Mit Bilderkennungsprogrammen gelingt es, aus wenigen Pixeln das Licht von Supernova und Galaxie zu trennen
Helligkeitsmessungen an Supernovae sind ein heikles Geschäft: Man muss genügend viele in genügend grosser Distanz finden und möglichst kurz nach deren Explosion, damit man den Helligkeitspeak erwischt. Sie müssen genug hell sein, um sie als Typ Ia zu identifizieren. Zusätzlich sind sie stark rotverschoben, was den Vergleich mit näherliegenden SN erschwert. Mit der ersten CCD-Kamera am Anglo-Australian- 4m-Teleskop AAT konnte Perlmutter und Pennypacker jeweils etwa hundert Galaxien pro Bild festhalten und darunter Super Novae vom Typ Ia suchen. Hat man einen Kandidaten gefunden, muss aus dem Spektrum auf das Originalspektrum geschlossen werden können, da das Licht ja rotverschoben bei uns ankommt.
Spektrum einer SN-Ia, links eines ruhenden Sterns, rechts eines von uns wegstrebenden Sterns, aus der Verschiebung kann auf die Relativgeschwindigkeit geschlossen werden.
Trägt man nun scheinbare Helligkeit und Rotverschiebung gegeneinander auf, ergibt sich eine Proportionalität zwischen Fluchtgeschwindigkeit (gemessen mit der Variablen z) und der scheinbaren Helligkeit (gemessen in B).
Rotverschiebung einiger Super Novae Ia in Funktion ihrer relativen Helligkeit; die Gerade zeigt die mit zunehmender Entfernung zunehmende Relativgeschwindigkeit
Liegen die Punkte, die je zu einer Super Novae Typ Ia gehören, auf der eingezeichneten Geraden, herrschte offenbar „klare Sicht“ zwischen Supernova und uns. Ist Staub vorhanden, erscheinen die Super Novae lichtschwächer als sie sind; entsprechend sind die Punkte (im Diagramm ausgefüllt) nach rechts verschoben.
Der so genannte Stretch-Faktor trägt der Tatsache Rechnung, dass wegen der speziellen Relativitätstheorie der Zeitbedarf beim Stern anders ist als wir es messen. Die Lichtkurve während des Prozesses verläuft daher von uns aus gesehen umso langsamer, je weiter entfernt sich die SN ereignet. Das führt zu einer Korrektur der Lichtkurve im Zeitbereich: weiter weg liegende SN müssen in der Zeit-Richtung verbreitert werden, näherliegende verschmälert. Korrigiert man die über mehrere Wochen sich hinziehende Helligkeit mit dem Stretchfaktor, dann liegen die Lichtkurven schön übereinander.
Typische Helligkeitsverlauf einiger SN in Funktion der Zeit (in Tagen), rechts korrigiert mit dem Stretch-Faktor
Das von Perlmutter geleitete Supernova Cosmology Project erhebt seine Daten wie folgt: Während der Neumondphase werden 50 bis 100 Felder mit jeweils etwa 1000 Galaxien fotografiert. Beim nächsten Neumond werden dieselben Felder wieder fotografiert, so dass der Computer eine allfällig in dieser Zeit aufgetauchte Supernova erkennt. Ist das der Fall, wird die Supernova so oft es geht, fotografiert, um eine hoffentlich genug vollständige Lichtkurve und ein ausreichendes Spektrum zu gewinnen.
Schematische Darstellung der computerunterstützten Suche nach Supernovae
Das Verfahren erlaubte es, allein im Jahr 1980 etwa 80 Supernovae vom Typ Ia dingfest zu machen.
Das Team des Supernovae-Cosmology-Projects
Die Auswertung der Daten bestätigt die beschleunigte Ausdehnung des Universums, deren Ursache jedoch noch nicht geklärt ist, im Allgemeinen aber mit der so genannten dunklen Energie verknüpft wird.
Vortrag Adam Riess
Professor Riess’ Vortrag war eine interessante Beschreibung seiner wissenschaftlichen Erlebnisse rund um Beobachtung von Supernovae unter dem Titel „My own Path to the accelerating Universe“. Er gab dabei auch einen Einblick in sein persönliches Labortagebuch.
Professor Adam Riess während seiner sehr persönlich gehaltenen Rede
Nachdem Adam Riess am MIT graduiert hatte, beteiligte er sich am MACHO-Projekt, bei welcher Gelegenheit er Saul Perlmutter kennenlernte. Es war dies auch sein erster Kontakt mit der Astrophysik. Im Herbst desselben Jahres schrieb er seine Doktorarbeit über Distanzbestimmungen von Typ-Ia-Supernovae. Typ-Ia-SN entstehen bei der Explosion von weissen Zwergen und zeichnen sich durch eine gleichgrosse Luminosität aus, was sie zu so genannten Standardkerzen macht. 1999 publizierte er seine Untersuchungen an 22 Supernovae Typ Ia.
Bilder einer Galaxie, in der sich eine Supernovae ereignet
Zusammen mit R. Kirshner und W. Press entwickelte er eine neue Methode, mit der man entscheiden kann, welche Supernovae wirklich weit weg ist, oder ob sie nur durch auf der Sichtlinie befindlichen Staub schwach leuchtend erscheint. Diese so genannte Multicolor Light Curve Shape Method beruht darauf, dass Licht unterschiedlicher Wellenlänge sich unterschiedlich abschwächt auf seiner langen Reise bis zu uns.
Hier begann auch Riess’ Mitarbeit im 1994 gegründeten High-z-Team unter Brian Schmidt. Das High-z-Team stellt sich die Aufgabe, die am weitesten entfernten Super Novae aufzuspüren, um sie mit den bereits gemessenen näherliegenden „Kollegen“ zu vergleichen.
Im Herbst 1996 ging Riess nach Berkeley, wo er am Keck-Observatorium High-z-Kandidaten beobachtete und Algorithmen für die Auswertung von SN-Daten entwickelte. Das war der Moment, wo Adam Riess ein einmaliges Heureka-Erlebnis hatte.
Es war im Herbst 1997, als er seine Rohdaten durchging und überschlagsmässig untersuchte, ob sie sinnvolle Resultate liefern. Dabei ergab sich eine negative Universumsmasse (ungefähr 70% der Gesamtenergie), was einer (positiven) Beschleunigung der Universum-Ausdehnung und eine von null verschiedene kosmologische Konstante bedeutete!
Adam Riess’ Laborbuch: wenn es keine kosmologische Konstante gibt, dann muss aus den Daten auf eine negative Masse geschlossen werden!
Nachdem er mehrere Tage über diesem sensationellen Ergebnis gebrütet hatte, die Rechnungen überprüft hatte, teilte er seine Entdeckung dem Team mit. Gemäss dem Mail-Verkehr waren seine Kollegen natürlich sehr begeistert. So schrieb N. Suntzeff am 13. Januar 1998 aus Chile: „Ich möchte Dich wirklich ermutigen, weiterzuarbeiten. Wir müssen einfach aufpassen. Wenn du wirklich sicher bist, dass die kosmologische Konstante nicht null ist – mein Gott – dann mach es bekannt! Ich meine es ernst – du wirst möglicherweise nie mehr ein wissenschaftliches Resultat dieser Güte haben, dein ganzes Leben lang.“
Titelbild der Dezember-Nummer des „Science“, 1998
Professor Riess erläuterte im zweiten Teil seines Vortrags, wie die Daten des High-z-Teams interpretiert werden können. Im Wesentlichen legen die Daten eine beschleunigte Ausdehnung des Universums nahe. Dies ist deshalb revolutionär, weil man bisher davon ausgegangen ist, dass die Gesamt“masse“ des Universums (genauer die Gesamtenergie) das Auseinanderstreben der Galaxien sicher abbremsen müsse. Nun scheint ein noch unbekannter Mechanismus zu wirken, der die Galaxien auseinanderdrückt. Formal führt das zu einer negativen Masse oder zu einer neuen Energieform, der so genannten Dark Energy, welche etwa 70% der gesamten im Universum vereinigten Energie ausmachen soll.
Hansjörg Friedl
Vorstellung der Laureaten
Die Albert Einstein Gesellschaft verleiht dieses Jahr Saul Perlmutter und Adam G. Riess die Einstein-Medaille in Anerkennung ihrer führenden Rolle bei der Entdeckung der beschleunigten Ausdehnung des Universums.
Saul Perlmutter, Adam G. Riess
Saul Perlmutter
Saul Perlmutter wurde am 22. September 1959 in Illinois, USA geboren. Er wuchs in einem akademischen Umfeld auf, fragte sich schon als Junge über das Wie, Warum, des „Weltganzen“ und war entsprechend aufmerksam, wenn seine beiden wissenschaftlich tätigen Eltern mit ihren Freunden diskutierten. Saul Perlmutter studierte Physik an der Harvard University, wo er 1981 seinen Bachelor-Abschluss machte. Seine Doktorarbeit , die er an der University of California, Berkeley 1986 abschloss, befasste sich bereits mit der Suche nach Super-Novae. Perlmutter war von 1989 bis 1993 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Center for Particle Astrophysics an der University of California. Seit 1999 ist er als Senior Scientist am Lawrence Berkeley National Laboratory tätig.
Saul Perlmutter ist verheiratet und Vater einer Tochter. Seine Hobbies sind Geigenspielen, Chorsingen, Folk-Tanz und Tennis.
Professor Perlmutter ist der Leiter und Mitgründer des International Supernova Cosmology Project (SCP) am Lawrence Berkeley National Laboratory, welches durch die Beobachtung sehr ferner Supernovae (vom Typ Ia) Ende der 90ger Jahre die beschleunigte Ausdehnung des Universums entdeckten. Er erhielt verschiedene Auszeichnungen und Preise, darunter den American Astronomical Society’s Henri Chretien Award, den Shawpreis 2006 und den Peter Gruber F P 2007. Durch Beiträge in Zeitschriften wie „Sky and Telescope“ und verschiedenen Fernsehsendungen über Astronomie und Kosmologie wurde Saul Perlmutter auch einer breiteren Öffentlichkeit bekannt.
Adam Riess
Adam Guy Riess wurde am 16. Dezember 1969 in Washington D.C. geboren. Nach Beendigung seines Bachelorstudiums am Massachusetts Institute of Technology 1992 doktorierte er an der Harvard University, wo er 1996 seinen PhD in Astrophysik erhielt. Riess arbeitete war Teil von im High-z Supernova Search Team, welches Ende der 1990er-Jahre mittels Supernovae des Typs Ia nachwies, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt. Seit seiner Tätigkeit als Miller Fellow an der University of California, Berkeley arbeitet Riess als Astronom am Space Telescope Science Institute. Seit 2006 ist er Professor im Henry A. Rowland Department für Physik und Astronomie der Krieger School of Arts and Sciences an der Johns-Hopkins-Universität. Adam Riess ist verheiratet und Vater zweier Kinder. Er sammelt alte amerikanischeMünzen und alte HiFi-Geräte und liest überaus gerne Literatur zu geschichtlichen Themen.
Im Verlauf seiner Wissenschaftskarriere durfte er bereits eine beachtliche Zahl von Preisen und Ehrungen entgegennehmen, unter anderem 2006 den Shaw-Preis in Astronomie und den Peter Gruber-Foundation-Cosmology-Prize im Jahre 2007.
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Hansjörg Friedli