Kosmische Strahlung: Der Schlüssel zum Verständnis für Galaxienentstehung?

HITS-Astrophysiker Christoph Pfrommer startet neue Junior-Forschungsgruppe „Hochenergie-Astrophysik und Kosmologie“ – Förderung durch einen ERC Consolidator Grant in Höhe von rund zwei Millionen Euro.

Die neue Junior-Forschungsgruppe „Hochenergie-Astrophysik und Kosmologie“ hat jetzt ihre Arbeit am  Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) aufgenommen.  Der HITS-Astrophysiker Priv.-Doz. Dr. Christoph Pfrommer hatte sich erfolgreich um  einen Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) beworben. Mit den Fördermitteln in Höhe von rund zwei Millionen Euro baut der 40-jährige am Institut seine eigene Arbeitsgruppe auf. Damit befassen sich am HITS insgesamt 13 Forschungsgruppen mit datengetriebener Wissenschaft – von der Mathematik bis zur Molekularbiologie. Einen Schwerpunkt bilden dabei Astrophysik und Astronomie mit jetzt vier Arbeitsgruppen.

„Die Entstehung der neuen Gruppe belegt, wie schnell sich das HITS als junges Forschungsinstitut in den letzten sechs Jahren etablieren konnte“, freut sich Institutssprecherin Prof. Rebecca Wade. „Denn damit haben insgesamt vier HITS-Wissenschaftler einen ERC Grant eingeworben.“

Die Frage, wie Galaxien im Universum entstehen und sich entwickeln, zählt zu den größten Problemen der modernen Astrophysik. Christoph Pfrommer erforscht den Einfluss kosmischer Strahlung auf die Bildung von Galaxien und Galaxienhaufen. Kosmische Strahlung wird bei Sternexplosionen freigesetzt und erzeugt galaktische Winde, die unter anderem die Sternentstehung beeinflussen. Diese gigantischen Materieausflüsse in Galaxien bilden sich durch Mechanismen, die auch Sonnenstürme und -eruptionen verursachen und damit für Strahlenstürme auf der Erde verantwortlich sind. Im Gegensatz dazu sind die gigantischen galaktischen Winde für uns Erdbewohner ungefährlich. „Allerdings scheinen sie eine unverzichtbare Lebensphase während der frühen Sturm- und Drangzeit der Entstehung von Galaxien darzustellen“, sagt Pfrommer. Wie die kosmologische Computersimulation Illustris gezeigt hat, sind diese Ausflüsse nicht nur nötig, um realistische Spiralgalaxien zu formen, sondern auch um zu erklären, warum sich neben Spiral- auch elliptische Galaxien im Universum bilden. Während die gegenwärtigen Computersimulationen die Materieausflüsse ihrem Erscheinungsbild entsprechend abbilden, hat sich Pfrommers Gruppe zum Ziel gesetzt, die zugrundeliegende Physik der kosmischen Strahlung, Magnetfelder und Plasmawellen detailgetreu zu modellieren. Um die Ausbreitung der kosmischen Strahlung in galaktischen Magnetfeldern zu untersuchen, erweitern die Forscher  den am HITS entwickelten AREPO-Code. Um die nächste Generation von Computersimulationen an den Start zu bringen, wird zurzeit der HITS-Computercluster mit Mitteln aus dem ERC Grant nachgerüstet, um ihn noch leistungsstärker zu machen. Die Ergebnisse dieser Simulationen werden durch Messungen von Radio- und Gammastrahlungsteleskopen überprüft.

Eine der zentralen Fragestellungen der Gruppe lautet, ob die starken galaktischen Winde tatsächlich durch die kosmische Strahlung verursacht werden können, oder ob man für diese noch einen weiteren – bisher unbekannten –  Mechanismus benötigt. „Vielleicht wird sich dann auch herausstellen, dass das gegenwärtig favorisierte Modell der kalten dunklen Materie nicht ganz vollständig ist und es modifiziert werden sollte“, so Christoph Pfrommer, „indem wir beispielsweise Selbstwechselwirkungen in Betracht ziehen. In jedem Fall wird es eine spannende Reise sein – mit hoffentlich vielen Überraschungen und neuen Entdeckungen.“

Pfrommer studierte Physik in Jena, Harvard und am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching. Nach der Promotion an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München  arbeitete er als Postdoc und Senior Research Associate am Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA) in Toronto, bevor er im Sommer 2010 ans HITS als Senior Researcher in die Gruppe „Theoretische Astrophysik“ (Leitung: Prof. Volker Springel) kam.  Im Januar 2014 wurde Christoph Pfrommer als erster aktiver HITS-Mitarbeiter von der Universität Heidelberg im Fach Physik habilitiert.
Mit seinem Projekt „CRAGSMAN – The Impact of Cosmic Rays on Galaxy and Cluster Formation“ warb Christoph Pfrommer den dritten ERC Grant für das HITS ein. Zuvor waren der Astrophysiker Volker Springel (ERC Starting Grant) und der Mathematiker Tilmann Gneiting (ERC Advanced Grant) erfolgreich. Im Sommer 2015 kam dann noch die Mathematikerin Anna Wienhard (Universität Heidelberg) als Leiterin der assoziierten Gruppe „Groups and Geometry“ ans HITS. Sie hatte zuvor ebenfalls einen ERC Consolidator Grant eingeworben.

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