FORSCHUNGSBEREICH
Die Entstehung und Entwicklung kosmischer Strukturen und die großräumige Verteilung von Galaxien ist ein Phänomen nichtlinearer Fluidmechanik, das durch die Schwerkraft angetrieben wird, aber seine Statistik spiegelt auch die Eigenschaften von elementarteilchen wider, die die dunkle Materie des Universums ausmachen. Die kosmischen Strukturen sind nicht nur selbst ein interessantes nicht-perturbatives System, sondern beherbergen letzlich auch Galaxien und legen die Randbedingungen für deren Entstehung, Entwicklung und gravitative Wechselwirkung fest.
Die Ablenkung des Gravitationslichts ist eine Möglichkeit, die Materieverteilung im Universum abzubilden und Objekte zu untersuchen, die nicht direkt mit dem Licht wechselwirken, z.B. primordiale schwarze Löcher oder kosmische Strukturen aus dunkler Materie. Die vielen Regimes und Methoden des Graviationslinseneffects bieten Einblicke in eine große Bandbreite physikalischer Phänomene: die Suche nach primordialen Schwarzen Löchern, extrasolaren Planeten oder sogar Exo-Monden beim Mikrolensing, die Materieverteilung innerhalb von Galaxienhauten durch starkes Lensing und die kosmische Materieverteilung auf kosmologischen Skalen bei schwachem Lensing.
Die Milchstraße und die Lokale Gruppe von Galaxien sind das am besten untersuchte System der Galaxienentstehung und -entwicklung und bietet einen Einblick in die Entstehungsgeschichte von Spiralgalaxien: Diese Systeme vereinen Theorien über die Dynamik der Ströme dunkler Materie im Inneren der Milchstraße, die Geschichte der Massenakkretion und der Sternentstehung in verschiedenen Umgebungen und schließlich Prozesse der Anreicherung mit schwereren chemischen Elementen. Bei den Beobachtungen werden Methoden der Astrometrie mit der Spektroskopie kombiniert.
Die physikalischen Prozesse, die zur Entstehung von Sternen in Galaxien und schließlich von Planetensystemen um diese Sterne herum führen, umfassen ein breites Spektrum an Größenordnungen und sind sehr komplex. Das Verständnis von Aspekten der Stern- oder Planetenbildung erfordert numerische Simulationen auf Supercomputern und ein gründlegendes Verständnis der beteiligten physikalischen Prozesse. Jetzt, da Submillimeter-Beobachtungen protoplanetare Scheiben um Sterne in der Milchstraße abbilden und ihre dynamische Struktur aufzeigen können und die Zahl der entdeckten Exoplaneten einige Tausend erreicht hat, beginnt eine neue Ära quantitativer Theorien zur Planetenbildung.
Sterne sind eine wichtige Quelle elektromagnetischer Strahlung im Universum und ermöglichen die Untersuchung zahlreicher Phänomene, von weit entfernten Galaxien über das interstellare Medium, die innere Sternstruktur und -entwicklung bis hin zu extrasolaren Planeten. Unser Verständnis der physikalischen Prozesse, die in Sternen ablaufen, untermauert daher unser Wissen in vielen Bereichen der Astronomie. Die innere Struktur von Sternen kann jedoch nicht direkt beobachtet werden. Mithilfe der globalen Schwingungsmoden vieler Sterne sowie Messungen der Oberflächeneigenschaften von Sternen und Sternmodellen, d. h. der Asteroseismologie, ist es nun möglich, die von der Sternoberfläche verborgenen Schichten zu erforschen und direkt auf die Sternstruktur zu schließen.
Astrophysikalische Objekte und Phänomene wie aktive galaktische Kerne und Supernovae sind sich schnell entwickelnde physikalische Systeme, in denen Strahlung, einschließlich Gravitationswellen und Neutrinos, außerhalb des thermischen Gleichgewichts erzeugt wird. In Heidelberg untersuchen die Forscher die späten Stadien der Sternentwicklung und die Vorgänge in einer Supernova-Explosion mit Hilfe numerischer Simulationen und durchforsten den Himmel nach Objekten, die Strahlung im GeV- und TeV-Maßstab aussenden.
Die großräumige kosmische Struktur legt die Rahmenbedingungen für die Entstehung und Entwicklung von Galaxien fest, in denen die Materie abkühlt und kondensiert, um Sterne zu bilden. Eine Vielzahl von noch nicht vollständig verstandenen physikalischen Prozessen formt Galaxien und bestimmt ihre physikalischen Eigenschaften. Die Durchmusterung riesiger kosmischer Volumina mit neu entwickelten Instrumenten ermöglicht Einblicke in die chemischen und dynamischen Eigenschaften von Galaxien, was wiederum Implikationen auf Modelle für die Galaxienentwicklung hat.
Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2015 hat ein neues Fenster zur Erforschung des Universums geöffnet: Wir können nun die Eigenschaften stellarer Überreste, ihrer Vorgängersterne und ihrer Host-Galaxien erforschen, indem wir uns binäre Verschmelzungen kompakter Objekte ansehen. Die Gravitationswellen-Astrophysik-Gruppe an der Universität Heidelberg hat sich zum Ziel gesetzt, die wichtigsten offenen Fragen in der Astrophysik kompakter Objekte mit Hilfe von numerischen Modellen und dem Vergleich mit Gravitationswellendaten zu beantworten: Was sind die Entstehungskanäle von binären kompakten Objekten? Was können wir aus Gravitationswellenereignissen über die Entstehung von Strukturen im Universum lernen?
