Forschungsfelder an der Fakultät für Physik und Astronomie
Die Bochumer Fakultät für Physik und Astronomie bietet eine große Bandbreite an Forschungsfeldern.
Astronomie & Astrophysik
Hadronenphysik
Festkörperphysik/Materialwissenschaften
Plasmaphysik
Fachdidaktik
Interdisziplinäre Forschung und Beteiligungen
Plasmaphysik
Experimentelle Physik der reaktiven Plasmen
Schwerpunkt der Forschungstätigkeit ist das grundlegende Verständnis der Plasma-Oberflächen-Wechselwirkung. Dazu werden zahlreiche Experimente in reaktiven Plasmen durchgeführt zur Identifizierung der vorherrschenden Reaktivteilchenflüsse sowie der daraus resultierenden Oberflächenprozesse. Als Diagnostiken kommen vielfach optische in-situ Diagnostiken im Sichtbaren und Infraroten sowie die Massenspektroskopie zum Einsatz. Die Analyse wird durch ein weltweit einmaliges Teilchenstrahlexperiment komplettiert, das es erlaubt, heterogene Oberflächenreaktionen direkt zu studieren.
Themen sind das Verständnis von gepulsten magnetisierten Hochleistungsplasmen zur Synthese von Oxiden und Nitriden sowie die plasma gestützte Herstellung von Barrieren und Membranen. Ein großes Feld ist auch die Analyse von Nichtgleichgewichtsprozessen in Atmosphärendruckplasmen wie sie für die Plasma-Katalyse und die plasma gestützte Elektrolyse eingesetzt werden können.
Experimentelle Plasma- und Atomphysik
Im Mittelpunkt des Forschungsinteresses steht die Physik von Plasmen fernab des thermodynamischen Gleichgewichts. Dies umfasst Fragestellungen zur ohmschen und stoßfreien Heizung, zum Transport und zur Verteilung geladener und ungeladener Teilchen oder zur Ausbreitung elektromagnetischer Felder sowie damit in Verbindung stehende Aspekte der Atom- und Molekülphysik.
Der Anwendung und Entwicklung neuer Diagnostikmethoden kommt in diesem Zusammenhang eine besondere Bedeutung zu. Allgemein wird ein sehr breites Spektrum an verschiedenen optischen und elektrischen Techniken eingesetzt, wobei ein Schwerpunkt im Bereich der Laserspektroskopie liegt. Grundsätzlich wird versucht, durch die Kombination von Experiment, Simulation und analytischer Modellbildung zu einem Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten und Prozesse zu gelangen.
Theoretische Plasma-, Laser-, und Atomphysik
Wir beschäftigen uns mit Fragen der Turbulenz und Rekonnexion in plasmaphysikalischen Strömungen. Die Plasmen werden je nach Anwendung durch kinetische oder fluiddynamische Modelle beschrieben und der Zugang zum Verständnis dieser Systeme erfolgt sowohl analytisch als auch numerisch. Hauptwerkzeuge der Untersuchungen MHD-artiger Systeme sind das auf adaptiver Gitterverfeinerung basierende Framework racoon sowie das Framework cudaHYPE für parallele Rechnungen auf einem Cluster von Graphikkarten. Das Experiment FlareLab wird durch Simulationen mit racoon begleitet und Experimente zu magnetischen Dynamos werden mit dem Spektralcode LaTu simuliert. Sowohl racoon als auch LaTu skalieren linear bis zu 262144 cores. Kinetische Simulationen werden mit dem Vlasov-Löser DSDV durchgeführt.
Institut für Energie- und Klimaforschung (Forschungszentrum Jülich)
Unser Schwerpunkt ist die Energieauskopplung aus Brennkammern von Fusionsreaktoren. Hier treten extrem hohe Wärmebelastungen auf, die künftige Kraftwerke im Dauerlastbetrieb aushalten müssen, um wirtschaftlich zu sein. Wir erforschen die dazu geeigneten Materialien und analysieren deren Plasma-Wand-Wechselwirkung. Ein neuer Forschungsschwerpunkt ist die Untersuchung von neutronengeschädigten Fusionsmaterialien.
Dazu nutzen wir auch lineare Plasmaanlagen, mit denen die Wandbelastung in Fusionsreaktoren simuliert wird. Ziel ist es, den Einfluss der Schädigungen auf die Lebensdauer der Wandkomponenten und die Einlagerung der Fusionsbrennstoffe Deuterium und Tritium im Wandmaterial zu verstehen. Wir entwickeln Messmethoden zur Charakterisierung des Plasmas und der Oberflächen und neue Konzepte zur Optimierung der Wandkomponenten.
Hadronenphysik
Experimentelle Hadronenphysik
Kurz nach dem Big Bang bestand das Universum nur aus den fundamentalen Bausteinen der Materie. Quarks und Gluonen fanden sich im Bruchteil einer Sekunde zusammen und bildeten die Protonen und Neutronen, oder Hadronen, wie der Oberbegriff für diese zusammengesetzten Teilchen heißt. Warum wir keine einzelnen Quarks und Gluonen beobachten und warum die Eigenschaften der Hadronen nicht nur die Summe der Eigenschaften der Bausteine sind, ist eine der Hauptfragestellungen der Hadronenphysik.
Um diesen Geheimnissen der Natur auf die Spur zu kommen, suchen wir in Experimenten an großen Beschleunigerzentren dieser Welt nach immer neuen Kombinationen der fundamentalen Bausteine in Hadronen, um aus diesen Puzzleteilen eine Beschreibung der heute beobachteten Welt und ihrer Gesetze zu erreichen. Die dabei von uns entwickelten modernsten Detektortechnologien erlauben eine Ausbildung von Studierenden in Experimentalphysik auf technologisch höchstem Niveau.
Experimentelle Physik der Hadronen und Kerne
Eine der zentralen Fragen der Physik ist die Zusammensetzung von Materie. Vor allem im Bereich der Hadronen, wozu die Protonen und Neutronen gehören, sind einige Phänomene bisher noch ungeklärt. Die Quantenchromodynamik (QCD), die theoretische Beschreibung der starken Wechselwirkung, ist in guter Übereinstimmung mit den meisten Messergebnissen. Allerdings sind weder die QCD selbst noch effektive Theorien oder Berechnungen im Rahmen der Gitter-QCD in der Lage, alle bisher gefundenen Zustände zuzuordnen und deren interne Struktur aufzuklären.
Neben der Verbesserung der theoretischen Beschreibung von Seiten der theoretischen Physik, ist es wichtig, zum einen nach neuen vorhergesagten oder nicht-vorhergesagten Zuständen zu suchen. Um nun theoretische Beschreibungen zu bestätigen oder auszuschließen, ist es auf der anderen Seite notwendig, gefundene Zustände präzise zu vermessen. Energie-Scan-Messungen erlauben die genaue Bestimmung der Masse und Breite von Zuständen, während die Partialwellenanalyse die Extraktion von zusätzlichen Eigenschaften wie des Spins und der Parität ermöglicht.
Um die Datenbasis zu verbessern, habe ich mich mit Kolleginnen und Kollegen weltweit zusammengeschlossen, um zum einen das PANDA-Experiment in Darmstadt aufzubauen und parallel dazu die Daten des BESIII-Experimentes in Beijing zu analysieren.
Theoretische Hadronen- und Teilchenphysik
Wir beschäftigen uns mit der Erforschung der Eigenschaften von stark wechselwirkender Materie. Im Vordergrund steht dabei die Aufklärung der inneren Struktur und Dynamik der aus Quarks und Gluonen – den fundamentalen Bausteinen unserer Materie – zusammengesetzten Hadrone und Atomkerne. Dabei liegt die besondere Herausforderung in der Stärke der durch Quantenchromodynamik beschriebenen Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen, die zum Versagen der üblichen Näherungsverfahren führt.
Zur theoretischen Untersuchung solcher stark wechselwirkenden hadronischen Systeme werden am Lehrstuhl insbesondere effektive Feldtheorien angewandt, die bestimmte Symmetrieeigenschaften der Quantenchromodynamik ausnutzen und einen systematischen und modellunabhängigen Zugang zu hadronischen Observablen ermöglichen. Diese analytischen Methoden werden mit numerischen Verfahren wie etwa Monte-Carlo-Simulationen der auf ein Gitter gesetzten Hadronen kombiniert, um Eigenschaften und Dynamik von Wenig-Baryon Systemen und Baryonenmaterie zu analysieren.
Weitere Forschungsthemen umfassen Quarkmassenabhängigkeit von hadronischen Observablen und ihre Folgen für die Kosmologie, elektroschwache Prozesse und Pionproduktion am Nukleon und an leichten Kernen, quantenfeldtheoretische Behandlung der Spin-3/2- Felder, Isospin-verletzende Effekte, Hyperon-Nukleon Wechselwirkung und Eigenschaften von Hyperkernen sowie Charmonium-Physik.
Theoretische Hadronenphysik
Die Arbeitsgruppe forscht in verschiedenen Zweigen der theoretischen Hochenergiephysik: von der Quantenchromodynamik (QCD) als der Theorie der Hadronen bis hin zu Modellen der fundamentalen Wechselwirkungen. Der Fokus unserer aktuellen Forschung liegt auf der Untersuchung nicht-perturbativer Effekte der QCD. Aufgrund einer geheimnisvollen Eigenschaft des Colour-Confinement ist die QCD eine der fesselndsten und dynamischesten Theorien, die es je gegeben hat. Es gibt äußerst zahlreiche bedeutende nicht-perturbative Phänomene in der QCD. Um diese zu verstehen, benutzen wir verschiedene Methoden der Quantenfeldtheorie.
Insbesondere behandeln wir topologisch nicht-triviale Feldkonfigurationen wie Solitonen und Instantonen. Aktuell beschäftigt uns die Möglichkeit, dass Protonen und Neutronen Solitonen chiraler Felder in der QCD darstellen. Ein solches Bild der Grundbausteine der Materie um uns herum erlaubt uns einen neuen Typ von Baryonen vorherzusagen – das Ө+ Pentaquark.
Eine andere Thematik, die uns zur Zeit fasziniert, ist die Anwendung tomographischer Methoden in der Hadronenphysik. Es scheint, dass diese Methoden uns den Weg ebnen können, um dreidimensionale Bilder der Hadronen zu erhalten.
Festkörperphysik
Angewandte Festkörperphysik
Wir beschäftigen uns mit der Erforschung von Halbleitern sowohl im Hinblick auf grundlegende physikalische Phänomene als auch auf die Entwicklung innovativer Bauelemente in zwei Hauptarbeitsgebieten:
Molekularstrahlepitaxie (MBE) zur Herstellung von Halbleiterheterostrukturen sowie fokussierte Ionenstrahlimplantation (FIB) zur Materialbearbeitung.
Durch „band-gap-engineering“ werden mittels MBE in AlInGaAs niedrigdimensionale Halbleiter hoher Güte mit Monolagenauflösung realisiert. Das sind zweidimensionale Elektronenschichten, wie sie in jedem Feldeffekttransistor auftreten, eindimensionale Quantendrähte oder auch nulldimensionale Quantenpunkte, die elementare Funktionseinheiten zukünftiger Supercomputer bilden werden.
Die räumlichen Einschränkungen führen zu Quantenphänomenen, wie beispielsweise dem Quanten-Hall-Effekt und der Leitfähigkeitsquantisierung. Wir vermessen unsere Halbleiter optisch und elektrisch – auch bei tiefen Temperaturen. Diese dienen als Grundlage für Spitzenforschung in weltweiten Kooperationen. Da die Grenzen heutiger Lithographieverfahren absehbar sind, haben wir eine maskenlose Strukturierungstechnik mittels FIB implementiert, die völlig ohne Chemie auskommt. Diese Technik erlaubt es, laterale Strukturen bis in den NANOmeter-Bereich zu erzeugen. Individuelle neuartige Bauelemente (z.B. in-plane-gate Transistoren) und NANO-Strukturen zur Erforschung von Quantenphänomenen werden dadurch möglich.
Experimentelle Oberflächenphysik
Wir untersuchen die geometrische, elektronische, vibronische und magnetische Struktur von Nanostrukturen und Dünnschichtsystemen auf Halbleiter- oder Oxidoberflächen. Von besonderem Interesse sind dabei die Dynamik der Entstehungsprozesse der Strukturen, Wachstums-, Adsorptions- und Diffusionsprozesse.
Technologische Zielsetzung ist dabei, Schichten oder Nanostrukturen mit vorgegebenen strukturellen, magnetischen oder chemischen Eigenschaften herzustellen. Die Hauptmessmethode ist die Rastertunnelmikroskopie (STM). Die Abbildung der Proben mit atomarer Auflösung erfolgt im Ultrahochvakuum während der Entstehung der Nanostrukturen oder der ultradünnen Schichten. Direkt während des Wachstums wird die Oberfläche zeitaufgelöst beobachtet, wodurch man die Wachstums- und Strukturbildungsprozesse verfolgen kann.
Chemische Informationen über den Zustand der Oberfläche werden mittels hochauflösender Elektronen-Spektroskopie-Methoden erhalten. Die Schwingungsmoden von den an der Oberfläche gebundenen Molekülen zusammen mit den Ergebnissen der Rastertunnelmikroskopie erlauben eine genaue Charakterisierung der Bindungsverhältnisse von Molekülschichten auf Oberflächen. Magnetische Eigenschaften von Nanostrukturen werden direkt während der Herstellung mittels des magneto-optischen Kerr-Effekts (MOKE) untersucht. So kann auch das Verhalten magnetischer Domänen auf einer sub-Mikrometerskala beobachtet werden.
Experimentelle Spektroskopie der kondensierten Materie
In Festköpern läuft eine Vielzahl physikalischer Prozesse innerhalb von nur wenigen Nanosekunden oder Pikosekunden ab. Beispiele sind die Rekombination von Ladungsträgern, Magnetisierungsdynamik oder Spinrelaxation. Die Arbeitsgruppe Spektroskopie der kondensierten Materie macht solche Prozesse mit laserspektroskopischen Verfahren sichtbar. Kurzpulslaser ermöglichen die Untersuchung derart schneller Phänomene mit einer Zeitauflösung von etwa 100 fs.
Ein Schwerpunkt unserer experimentellen Arbeit ist dabei das Entwickeln von Materialien und Strukturen, die lange Spinlebenszeiten zeigen und für die Halbleiterspinelektronik genutzt werden können. Die Arbeitsgruppe trägt darüber hinaus zum wachsenden Gebiet der Fluktuationsspektroskopie bei. Es werden Methoden entwickelt, um die zufällige thermische Bewegung von z.B. Elektronenspins in Festkörpern oder den stochastischen Transport von Ladungsträgern in Widerständen zu vermessen und sinnvoll zu charakterisieren. Dafür wurde ein System entwickelt, das Datenströme von ca. 0,4 GByte/s in Echtzeit verarbeitet und Regelmäßigkeiten (Korrelationen) aufdeckt, die im Rauschen verborgen sind.
Die so genannte Korrelationsspektroskopie wird u.a. angewendet bei der Untersuchung von kritischer Dynamik an Phasenübergängen, der Quantendynamik von mesoskopischen Systemen und dem Aufspüren von systematischen Störquellen in hochempfindlichen Messungen.
Theoretische Festkörperphysik
Die theoretische Physik der kondensierten Materie verdankt ihre Reichhaltigkeit und Komplexität der Tatsache, dass sie sich mit der Quantentheorie von Vielteilchensystemen beschäftigt. Diese Theorie beschreibt eine sehr große Anzahl von Atomen oder Ionen und deren gegenseitige Wechselwirkungen (oder Korrelationen), wobei Phänomene, die einen reinen quantenmechanischen Ursprung haben, eine große Bedeutung aufweisen.
In unserer Arbeitsgruppe verwenden wir verschiedene theoretische Methoden, um die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von stark korrelierten niedrigdimensionalen Systemen zu studieren, einschließlich der unkonventionellen Hochtemperatur- Supraleitung, die in vielen solchen Systemen entsteht. Die Besonderheit dieser Systeme besteht darin, dass die Elektron-Elektron-Korrelationen sich durch den Effekt der niedrigen Dimensionalität und der Konkurrenz von Spin-, Ladungs- und orbitalen Freiheitsgraden deutlich verstärken. Darüber hinaus ist in solchen Fällen zu berücksichtigen, dass der Grundzustand solcher Systeme sich als Funktion eines einzelnen Parameters drastisch verändern kann.
Außerdem beschäftigt sich unsere Arbeitsgruppe mit niedrigdimensionalen stark korrelierten Systemen, die eine geometrische Frustration der magnetischen Ordnung aufweisen und die für viele exotische Quantenzustände der Materie verantwortlich sind.
Experimentelle Festkörperphysik
Wir beschäftigen uns mit Quantenmaterialien, deren Eigenschaften ganz wesentlich von quantenmechanischen Effekten bestimmt werden. Hier führt beispielsweise die Wechselwirkung zwischen Elektronen untereinander und zwischen Elektronen und Ionen des Kristallgitters zu vielfältigen Phänomenen, wie magnetischer Ordnung, Ladungsdichtewellen oder Supraleitung.
Wir stellen diese, oft intermetallischen Verbindungen als Einkristalle selbst durch Flusszüchtung her. Ihre, häufig noch unbekannten, strukturellen und chemischen Eigenschaften untersuchen wir mit diversen Methoden. Dies reicht von Strukturbestimmung und chemischer Analyse, über elektrischen Transport und thermodynamische Eigenschaften zu Röntgen- und Neutronendiffraktion. Dabei betrachten wir einen weiten Temperaturbereich von ca. 1 K – 400 K und hohe Magnetfeldern von bis zu 17 T. Eine besondere Rolle spielt die Untersuchung von durch uniaxialen Druck und Dehnung verursachter Effekte, die wir mittels hochaufgelöster Messung von thermischer Ausdehnung, elastischer Module und Elastotransport aufklären.
Unser Ziel ist es, die Eigenschaften komplexer Materialien zu verstehen und zu lernen, diese gezielt zu steuern. Zum Beispiel lassen sich durch Änderungen der Zusammensetzung oder (anisotropen) Druck neue Phasen induzieren und funktionale Eigenschaften erreichen. Dabei suchen wir insbesondere nach neuen Quantenmaterialien mit exotischen Eigenschaften mit Methoden des Materialdesigns.
Materialwissenschaften
Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation (ICAMS)
Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation (ICAMS)
Unsere Arbeit fokussiert sich auf die theoretische Charakterisierung der interatomaren Wechselwirkung und die Anwendung von Modellen der interatomaren Wechselwirkung in atomistischen Simulationen.
Ziel ist es, mit diesen Simulationen ein verbessertes Verständnis atomarer Eigenschaften von Materialien zu erreichen und dieses Verständnis für das Design von neuen, verbesserten Materialien einzusetzen. Aktuelle Beispiele sind Simulationen für die Verbesserung von Hochtemperaturlegierungen, wie sie in Flugzeugturbinen zum Einsatz kommen, die atomistische Modellierung von Stahl, dabei insbesondere die Versprödung moderner höchstfester Stähle, sowie die Modellierung von Materialien für die Spin-Elektronik, thermoelektrische Materialien für die Rückgewinnung von elektrischer Energie aus Abwärme, etc.
Der Lehrstuhl ist eingebettet in das Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation (ICAMS), welches sich mit der Modellierung und Simulation von Materialien über alle Längenskalen – vom Elektron zum Bauteil – befasst.
Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation (ICAMS) II
Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation (ICAMS)
Phasentransformationen spielen, neben Ihrer grundlegenden Bedeutung für die Physik kondensierter Materie, eine wichtige Rolle in allen Bereichen der Materialphysik. Sie bestimmen die Mikrostruktur der Materialien und damit deren mechanische und funktionelle Eigenschaften. Die Forschung des Lehrstuhles ist auf die mesoskopische Skala heterogener Mikrostrukturen fokussiert.Wir entwickeln theoretische Werkzeuge, um konstitutive Gesetze der Mikrostrukturentwicklung in verschiedenen Stadien zu untersuchen. In einem skalenübergreifenden Ansatz verbinden wir „first-principles“ Berechnungen der Phasenstabilität mit Transportprozessen in der Mikrostruktur, um auf die makroskopischen und funktionellen Eigenschaften der Materialien zu schließen.
Institut für Materialphysik im Weltraum - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Institut für Materialphysik im Weltraum – Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Das Institut für Materialphysik im Weltraum des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Köln-Porz erforscht Eigenschaften von Schmelzen und ihre Erstarrung auf allen Längenskalen mit theoretischen und experimentellen Methoden. Ziel ist es, die Eigenschaften von Werkstoffen aus dieser Kenntnis vorherzusagen und somit Materialdesign aus der Schmelze zu ermöglichen. Durch vergleichende Experimente im Weltraum und auf der Erde werden schwerkraftgetriebene Phänomene, wie Konvektion, Sedimentation und Auftrieb der experimentellen Bestimmung zugänglich, eine Voraussetzung für die Entwicklung physikalischer Modelle zur quantitativen Beschreibung von Erstarrungsvorgängen.
Skalenüberbrückende Simulation von funktionellen Verbundwerkstoffen (ICAMS)
Skalenüberbrückende Simulation von funktionellen Verbundwerkstoffen (ICAMS)
Das Ziel der Gruppe ist das Design von ferroelektrischen Kompositen mit überlegenen funktionellen Eigenschaften. Gleichzeitig optimieren wir mehrere Reaktionen mit hoher technologischer Bedeutung für die Gewinnung elektrischer Energie aus Temperaturschwankungen oder Stress und Kühlung durch den elektrokalorischen Effekt. Unser Ansatz ist die skalenübergreifende Optimierung von Verbundsystemen mit unterschiedlichen Morphologien: Übergitter, Säulen und Einschlüsse, die die Vorteile der Materialwahl, kontrollierte Inhomogenitäten, Domänenstruktur und Randbedingungen an den Grenzflächen kombinieren. Unsere Methoden sind skalenüberbrückende Simulationen basierend auf Ab-initio-Parametrisierung mit hoher Vorhersagekraft, die es uns ermöglichen, die Eigenschaften von Materialsystemen grundlegend zu verstehen und zu entwerfen.
Astronomie und Astrophysik
Astronomie
Forschungsschwerpunkt des Lehrstuhls für Astronomie ist die extragalaktische Astronomie.
Ziel ist es, durch die Untersuchung von Galaxien den Prozess der Strukturbildung als stete Verdichtung der Materie seit dem Urknall unter dem Einfluss der sogenannten „dunklen Materie“ besser zu verstehen. Dabei spielt die Energiefreisetzung von aktiven galaktischen Kernen und Sternen durch ihre Strahlung, ihre stellaren Winde und Supernova-Explosionen eine ebenso wichtige Rolle wie die Wechselwirkung von ausfließendem Gas mit frisch einfallendem Gas aus dem intergalaktischen Raum.
Diese Vorgänge beeinflussen die Verteilung, Zusammensetzung und Kinematik des interstellaren Gases und damit die folgende Generation von Sternen sowie das gesamte Erscheinungsbild von Galaxien. Beobachtungen mit Radioteleskopen, wie dem Very Large Array (VLA) in New Mexico (USA) oder dem neuartigen Low Frequency Array (LOFAR) in Europa, werden für diese Untersuchungen ebenso benutzt wie Messungen von Forschungssatelliten (z.B. Hubble- oder XMM/Newton Teleskope der ESA) oder die europäischen Großteleskope der ESO in Chile. Im Rahmen eines deutschen Konsortiums wird auch an einer Kamera für das größte optische Teleskop der Welt, das Large Binocular Teleskop (LBT) auf dem Mt. Graham in Arizona, mitgearbeitet. Unsere Untersuchungen zur Verteilung kosmischer Magnetfelder sind ein wichtiges Bindeglied zur Hochenergie-Astrophysik.
Astrophysik
Teleskopzeit ist kostbar und steht dem Astronomen – falls er Glück hat – nur für wenige Stunden pro Jahr an einem der großen Observatorien der Welt zur Verfügung. Detaillierte Langzeitbeobachtungen von variablen Objekten oder gar spontane Messungen sind so praktisch ausgeschlossen. Daher hat der Lehrstuhl für Astrophysik ein Observatorium in der chilenischen Atacamawüste auf 2.800 m Höhe errichtet, wo er an einem der besten Standorte der Welt etwa 350 Nächte pro Jahr eigene Projekte durchführen kann. Dabei stehen drei Arbeitsgebiete im Vordergrund:
1. die Entstehung von Sternen,
2. die Suche nach extrasolaren Planeten,
3. die Struktur aktiver galaktischer Kerne.
Bei all diesen Bereichen handelt es sich um variable Phänomene, die nur durch monatelange Beobachtungen studiert und verstanden werden können. Auch ist die physikalische Struktur der Objekte ähnlich – wenn gleich auf unterschiedlichen Größenskalen. Junge Sterne sowie Schwarze Löcher in Galaxienzentren sammeln aus ihrer Umgebung Materie auf und wachsen dadurch. Die Materie strömt dabei nicht direkt, sondern vielmehr über eine Scheibe aus Gas und Staub auf das zentrale Objekt. Im Falle von jungen Sternen bilden sich in dieser Scheibe praktisch immer auch Planeten. Mit fünf Teleskopen, die über das Internet fernbedienbar sind, führen Studierende der RUB und Partner im In- und Ausland gemeinsame Projekte im sichtbaren und infraroten Licht durch.
Beobachtende Kosmologie
Eine der größten Fragen in der Kosmologie heute ist die nach der Ursache für die beschleunigte Expansion des Universums. Ist diese überraschende Eigenschaft des Kosmos ein Hinweis auf eine kosmologische Konstante? Ist eine neue Form von Energie, häufig Dunkle Energie genannt, oder ein neues, noch nicht beobachtetes Teilchen/Feld dafür verantwortlich? Oder ist unsere Theorie der Gravitation, Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, unvollständig? Mit Hilfe verschiedenster Beobachtungstechniken versuchen Kosmologen heutzutage diese Fragen zu beantworten.
Die Forschungsaktivitäten in der Arbeitsgruppe für Beobachtende Kosmologie konzentrieren sich dabei auf die Ausnutzung des schwachen Gravitationslinseneffekts, der potentiell genauesten Beobachtungsmethode zur Erforschung der beschleunigten Expansion. Massen im Universum, wie z.B. Galaxien oder Galaxienhaufen, beeinflussen die Ausbreitung von Licht und agieren somit ähnlich wie optische Linsen. Diese Eigenschaft führt zu winzigen Verzerrungen in den Bildern von Hintergrund-Galaxien, die wir mit Großteleskopen aufnehmen. Die Messung dieser Verzerrungen in Kombination mit einer Messung der Entfernung (Rotverschiebung) der Hintergrund-Galaxien erlaubt es dann Massen im Universum zu messen, d.h. kosmische Objekte zu wiegen.
Diese Messungen werden mit großformatigen Kameras an speziellen Wide-Field Teleskopen aufgenommen. Da es sich um einen sehr kleinen Effekt handelt, müssen große Flächen am Himmel abgebildet werden, um genug Galaxien (viele Millionen) für eine signifikante Messung zur Verfügung zu haben. Zur Zeit benutzt die Arbeitsgruppe hauptsächlich Daten der europäischen Projekte KiDS (Kilo-Degree Survey; http://kids.strw.leidenuniv.nl/) und VIKING (VISTA Kilo-Degree Infrared Galaxy Survey). In Zukunft werden sowohl Daten des LSST (Large Synoptic Survey Telescope) Großteleskops als auch der ESA/NASA Euclid Satelliten Mission verwendet werden.
Plasma-Astroteilchenphysik
In der Hochenergie-Teilchenastrophysik beschäftigen wir uns mit der Suche nach den Quellen der kosmischen Strahlung. Obwohl schon seit 100 Jahren bekannt ist, dass ein kontinuierlicher Strom an geladenen Teilchen auf die Erde einprasselt, ist das Rätsel des Ursprungs immer noch nicht gelöst. Probleme bereiten die Magnetfelder, welche das Universum durchziehen: Sie lenken die geladenen Teilchen von ihrer ursprünglichen Bahn ab, so dass die auf der Erde ankommenden Teilchen aus allen Richtungen ankommen und nicht mehr zu ihren Quellen zurückzeigen.
In Bochum beschäftigen wir uns speziell mit der theoretischen Beschreibung von Wechselwirkung und Propagation der kosmischen Strahlung. In Wechselwirkungen der energetischen Teilchen mit Materie oder Photonfeldern werden neutrale Teilchen – Neutrinos und Photonen – erzeugt. Diese fliegen dadurch, dass sie neutral sind, geradlinig durch das Universum und sie können daher dabei behilflich sein, den Ursprung der kosmischen Strahlung zu identifizieren.
Die kosmische Strahlung selbst kann untersucht werden, indem die Propagation durch die kosmischen Magnetfelder simuliert und mit der beobachteten Teilchenverteilung verglichen wird. Die theoretisch ausgearbeiteten Ergebnisse werden mit aktuellen Messergebnissen von Großinstrumenten der Astroteilchenphysik verglichen. Führende Experimente sind hier unter anderem das IceCube Teleskop am geographischen Südpol und das H.E.S.S. Experiment in Namibia, an welchen die Arbeitsgruppe beteiligt ist.
Multiwellenlängen Astrophysik
Am Lehrstuhl für Multiwellenlängen Astronomie beobachten wir Quellen im Universum mit Licht bei verschiedenen Wellenlängen von Radio bis Gamma-Strahlung. Darüber hinaus öffnen wir neue Fenster zum Universum indem wir Astronomie mit anderen Boten als Licht, nämlich mit hoch-energetischen Teilchen machen. Besonders interessant sind Neutrinos: schwach wechselwirkende Teilchen, ohne Ladung und mit winziger Masse. Neutrinos geben uns Hinweise auf die energiereichsten Quellen im Universum, die in der Lage sind Protonen zu Energien zu beschleunigen, die 100 Millionen mal größer sind als die maximalen Teilchenenergien im LHC am CERN.
Um diese Quellen besser zu verstehen kombinieren wir Beobachtungen des IceCube Neutrino Teleskops am Südpol, mit optischen Daten der Zwicky Transient Facility (ZTF) in Kalifornien, dem Fermi Gammastrahlen-Weltraum-Teleskop und in Zukunft dem Cherekov Telescope Array (CTA) auf La Palma. Darüber hinaus bauen wir ein optisches Teleskop bestehend aus ca. 30 kleinen Teleskopen um den Himmel in polarisiertem Licht zu durchmustern. Die aufgenommenen Daten beschreiben wir mit theoretischen Modellen, um die verantwortlichen physikalischen Prozesse in den Quellen besser zu verstehen.
Erste Quell-Kandidaten, die wir nun näher untersuchen, sind super-massive schwarze Löcher, die ganze Sterne in sogenannten Tidal Disruption Events schreddern oder relativistische Materiejets in unsere Richtung ausspucken (sogenannte Blazare).
Fachdidaktik
Haben Sie sich schon mal gefragt, warum Sie ganz bestimmte Experimente zu einzelnen physikalischen Fragestellungen in der Schule gemacht haben?
Wir erforschen, was den Physikunterricht interessanter macht!
Unser Arbeitsbereich umfaßt das Planen, Durchführen und das wissenschaftliche Erheben des Erfolgs von Lernprozessen zur Physik. Wir untersuchen und erarbeiten dabei sowohl fachspezifische Ansätze, die sich ganz speziellen Themen der Physik widmen als auch fachübergreifende Beiträge zur allgemeinen Bildungsforschung, die ebenfalls einen Bezug zur Physik haben. Der Schwerpunkt unserer Untersuchungen liegt beim Experimentieren im Physikunterricht, vor allem bei den Schülerexperimenten. Dazu untersuchen wir das offene Experimentieren, die wissenschaftlichen Erkenntnisse über die Eigenschaften des naturwissenschaftlichen Gegenstandes im Hinblick auf mögliche wissenschaftliche Experimente, die Rolle von Messunsicherheiten beim Experimentieren, die optimale Lernunterstützung beim Experimentieren und das Entwickeln neuer Experimente.
Das Schülerlabor als Schlüsselelement
Dem Schülerlabor an unserer Universität fällt dabei eine Schlüsselrolle zu. Hier führen wir die Projekte durch, greifen aktuelle Themen und Kompetenzen der Forschungsbereiche auf, nutzen eine moderne und hochwertige Ausstattung und verfolgen spezielle didaktische Ziele. Dies bietet unserer Forschung die Möglichkeit, in Zusammenarbeit mit Schulen neue Unterrichtskonzepte für das Fach Physik zu entwickeln, auszuprobieren und deren Erfolg zu testen.
Fazit: Unsere physikdidaktische Forschung ist mehr als die Ausbildung von Physiklehrerinnen und Physiklehrern.
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