Universität Innsbruck – Heimat kosmischer Kartographen und Entdeckerinnen von Weltall-Eis

Dieser Artikel widmet sich der Arbeit dreier Forschungsteams der Universität Innsbruck, die einer fundamentalen Aufgabe nachgehen: die Geheimnisse unseres Universums zu lüften. Auf der einen Seite Astro- und Teilchenphysiker:innen, die mit dem ESA-Weltraumteleskop Euclid ein gewaltiges Himmels-Mosaik erschaffen, das nicht nur die sichtbaren Sterne und Galaxien, sondern auch die Dunkle Materie kartiert. Auf der anderen Seite ein Team des Institutes für Physikalische Chemie, die in Innsbrucks Laboren das Eis des Alls erforschen – fragile, flüchtige Kristalle, die fernab unseres Planeten auf Eismonden und in den Tiefen galaktischer Nebel existieren. Ihre Arbeit könnte nicht nur den Ursprung des Wassers entschlüsseln, sondern auch mehr über die Voraussetzungen für Leben jenseits der Erde verraten.

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Wenn die grünen Männchen in Science-Fiction-Romanen Probleme bei der Navigation ihrer unbekannten Flugobjekte hätten, wären sie wohl auf Forschung wie diese angewiesen: Die europäische Weltraumbehörde ESA hat am 15. Oktober die ersten Einblicke in ein bahnbrechendes Projekt gewährt – ein Mosaik aus 208 Milliarden Pixeln, das über 14 Millionen Galaxien in bislang unerreichter Detailtiefe zeigt. Diese ersten Bilder sind nur ein winziger Ausschnitt des geplanten Werks: einer Karte, die mehr als ein Drittel des Himmels bis in eine Entfernung von 10 Milliarden Lichtjahren dokumentiert. Bislang wurde lediglich ein Prozent der Kartierung vollendet und dennoch ist jetzt schon erkennbar, dass sich hier ein neues Kapitel der Astronomie öffnet.

Für die Universität Innsbruck ist diese Mission weit mehr als ein technischer Erfolg. Die von Francine Marleau vom Institut für Astro- und Teilchenphysik geleitete Studie konnte bereits 1.100 Zwerggalaxien im Perseus-Galaxienhaufen identifizieren, von denen 630 bis dato unbekannt waren. Diese kleinen, lichtschwachen Galaxien sind schwer zu entdecken, doch ihr wissenschaftlicher Wert ist immens: Dank der neu entdeckten Zwerggalaxien gelang es dem Team, die Leuchtkraftfunktion – eine Art kosmische „Volkszählung“ der Galaxien nach Helligkeit – präziser zu erfassen. So konnte ihr Wissen auf bislang kaum wahrnehmbare, lichtschwache Galaxien ausgeweitet werden und bietet nun tiefere Einblicke in die Verteilung galaktischer Strukturen im Universum.

Der Perseus-Galaxienhaufen und einige der neu entdeckten Zwerggalaxien. Foto: F. Marleau/ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA

Der Dunklen Materie auf der Spur

Doch es sind nicht nur die Himmelskörper selbst, die das Interesse der Innsbrucker Forscher wecken. Sondern auch die Kräfte, die im Verborgenen wirken: die Dunkle Materie, deren gravitative Wirkung so stark ist, dass sie das Licht entfernter Hintergrund Galaxien durch den sogenannten Gravitationslinseneffekt verzerren. Forschungsgruppenleiter Tim Schrabback und sein internationales Team am Institut für Astro- und Teilchenphysik nutzten das neue Euclid-Teleskop, um die Verteilung der Dunklen Materie im und um den Galaxienhaufen Abell 2390 präzise zu kartieren. „Unsere Studie zeigt, wie hervorragend das Instrument für diese Analysen geeignet ist“, betont Schrabback. Über die Verzerrungen in den Galaxienformen konnten sie die geheimnisvollen Dunkelmaterie-Strukturen sichtbar machen, die das Universum durchziehen.

Die jüngsten Ergebnisse verdeutlichen die Stärken des Euclid-Teleskops: „Das neue Instrument erfasst große Bereiche des Sternenhimmels auf einen Blick und liefert damit eine repräsentative Stichprobe aller Galaxien“, erklärt Laila Linke. Dank der hohen Sensitivität auf Oberflächenhelligkeit sind nun selbst Zwerggalaxien und besonders diffuse Galaxien sichtbar, während die außergewöhnliche Auflösung es ermöglicht, sowohl Zwerggalaxien als auch Nuclear-Star-Clusters und Kugelsternhaufen im Detail zu erkennen und zu charakterisieren.

Nicht von dieser Welt: außerirdisches Eis

Während das Euclid-Teleskop die großen Strukturen des Alls kartiert, widmet sich ein Team am Institut für Physikalische Chemie einer ebenso faszinierenden Frage: der Existenz von Wasser und Eis im Kosmos. Wasser gilt als unverzichtbare Grundlage für Leben, und seine Spuren im Universum zu finden, könnte grundlegende Antworten auf die Frage nach außerirdischen Lebensbedingungen liefern. Die Forschungsgruppe von Thomas Lörting und Christina M. Tonauer am Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck hat neue Eisformen entdeckt und rekreiert, die auf unserem Planeten nicht natürlich vorkommen, da sie nur unter extremen Bedingungen im All entstehen.

Amorphes Eis, wie es etwa auf interstellarem Staub oder der Oberfläche des Jupitermonds Europa vorkommt. Foto: Christina M. Tonauer

Das Forschungsteam hat spezifische Nahinfrarot-Spektren dieser besonderen Eisarten ermittelt, die künftig als wertvolle Vergleichswerte für das James-Webb-Weltraumteleskop dienen werden. Diese Ergebnisse wurden unter außergewöhnlichen Laborbedingungen gewonnen: Mit einer Kühlmethode unter Verwendung von flüssigem Stickstoff hielt das Team das Wasser auf minus 196 Grad Celsius, um spezielle Eiskristalle zu formen und zu stabilisieren – ein technisches Meisterwerk, das präzise Messungen in einem eigentlich für Raumtemperatur ausgelegten Spektrometer ermöglichte.

Die Bedeutung dieser Erkenntnisse für die Weltraumforschung ist immens: Im All entstehen unter extremen Bedingungen Eisformen, die auf den Eismonden des Jupiters und Saturn sowie auf Planeten wie Uranus und Neptun vermutet werden. Bislang waren zwanzig verschiedene Eisstrukturen bekannt, doch die neuen Daten aus Innsbruck liefern erstmals präzise Hinweise auf deren Dichte, Porosität und innere Struktur. Die so gewonnenen Referenzwerte lassen sich nun mit den astronomischen Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops vergleichen und könnten bald entscheidende Erkenntnisse darüber liefern, wo und unter welchen Bedingungen Wasser und Eis im Universum vorkommen.

Die Chemikerin Christina M. Tonauer im Labor. Foto: Theresa Nairz

Wissen jenseits des Horizonts

Die Universität Innsbruck bietet eine Heimat für jene, die bereit sind, das Rätselhafte im Kosmos zu suchen – und in sich selbst eine tiefe Neugier zu finden. Während das eine Team Milliarden Lichtjahre in die Dunkelheit des Universums vordringt, begibt sich das andere auf eine Reise hin zum Elementaren. Mit jeder neuen Entdeckung schreiten die Forscher:innen voran, wagen sich tiefer ins Ungewisse und schieben die Grenzen unseres Verständnisses Stück für Stück weiter, sodass wir einen Augenblick lang die Tiefe des Alls erahnen können.

Hier wird das Verborgene erfahrbar, und das Unaussprechliche rückt in greifbare Nähe. Die Universität Innsbruck wird so zu einem Ort, an dem der menschliche Geist die Dunkelheit des Kosmos erhellt und das Streben nach Wissen zu einer neuen Dimension des Verstehens führt.