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Deutsche Forschungsgemeinschaft Status Und Perspektiven Der Deutsche Forschungsgemeinschaft Status und Perspektiven der Astronomie in Deutschland 2003–2016 Denkschrift Astronomie. DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft Copyright © 2003 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA ISBN: 3-527-27220-8 Deutsche Forschungsgemeinschaft Status und Perspektiven der Astronomie in Deutschland 2003–2016 Denkschrift Redaktionskomitee: Andreas Burkert, Reinhard Genzel, Günther Hasinger, Gregor Morfill (Vorsitz), Peter Schneider, Detlev Koester (Vorsitzender des Rates Deutscher Sternwarten) Deutsche Forschungsgemeinschaft Geschäftsstelle: Kennedyallee 40, D-53175 Bonn Postanschrift: D-53170 Bonn Telefon: ++49/228/885-1 Telefax: ++49/228/885-2777 E-Mail: (Internet RFC 822) [email protected] Internet: http://www.dfg.de Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Her- ausgeber und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung. Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. ISBN 3-527-27220-8 © 2003 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Gedruckt auf säurefreiem Papier. Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache über- tragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, daß diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be reproduced in any form – by photoprinting, microfilm, or any other means – nor trans- mitted or translated into a machine language without written permission from the publishers. Registered names, trademarks, etc. used in this book, even when not specifically marked as such, are not to be considered unprotected by law. Umschlaggestaltung und Typographie: Dieter Hüsken. Satz: Hagedorn Kommunikation, Viernheim. Druck: betz-druck gmbH, Darmstadt. Bindung: J. Schäffer GmbH & Co. KG, Grünstadt Printed in the Federal Republic of Germany. Inhalt Vorwort . IX Zusammenfassung. XI 1 Astronomie gestern, heute und morgen. 1 1.1 Die Entwicklung des Universums . 1 1.2 Lebensweg der Sterne und Materiekreislauf . 7 1.3 Neue Fenster ins All . 18 2 Die wissenschaftlichen Themen . 24 2.1 Das Universum – Entstehung, Entwicklung und großräumige Struktur 24 2.1.1 Urknall und kosmische Hintergrundstrahlung . 26 2.1.2 Die kosmische Entfernungsskala . 29 2.1.3 Kosmologische Entwicklung . 34 2.1.4 Die großräumige Struktur im Universum . 39 2.1.5 Galaxienhaufen als kosmische Laboratorien . 43 2.1.6 Ultrahochenergetische Gammaastronomie. 48 2.1.7 Astroteilchenphysik . 49 2.1.8 Neue Eigenschaften der Neutrinos . 52 2.1.9 Gravitationswellenastronomie . 54 2.2 Galaxien und massereiche Schwarze Löcher . 55 2.2.1 Entstehung und Entwicklung von Galaxien . 59 2.2.2 Struktur von Galaxien. 69 2.2.3 Massereiche Schwarze Löcher . 74 2.2.4 Aktive Galaxienkerne. 82 2.3 Materiekreislauf und Sternentwicklung . 87 2.3.1 Das interstellare Medium . 91 2.3.2 Kosmische Strahlung. 96 2.3.3 Der nächste Stern: die Sonne . 98 2.3.4 Die Sterne . 101 2.3.5 Sterne als chemische Fabriken und Motoren des Materiekreislaufs . 106 2.3.6 Endstadien der Sternentwicklung . 108 V Astronomie. DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft Copyright © 2003 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA ISBN: 3-527-27220-8 Inhalt 2.4 Stern- und Planetenentstehung: Protosterne, zirkumstellare Scheiben und extrasolare Planetensysteme. 116 2.4.1 Sternentstehung als fundamentaler Prozess im Kosmos . 117 2.4.2 Bildung massearmer Sterne: vom prästellaren Kern zur Staubscheibe 120 2.4.3 Massereiche Sterne, Sternhaufen und die Anfangsmassenverteilung 130 2.4.4 Extrasolare Planeten . 132 3 Die Observatorien und Instrumente der nächsten fünfzehn Jahre . 139 3.1 Zugang zu Teleskopen und Beteiligung an internationalen Großprojekten . 139 3.2 Sicherung der Konkurrenzfähigkeit . 148 3.3 Stärkung der nationalen Initiativfähigkeit und Innovationskraft . 149 3.4 Weitere geplante Weltraum- bzw. Ballonmissionen. 156 3.5 Neue Initiativen: Astroteilchen- und Gravitationswellenforschung . 158 3.6 Die Projekte des nächsten Jahrzehnts. 162 3.7 Künftige Rolle existierender Einrichtungen . 168 3.7.1 Institut für Radioastronomie im Millimeterbereich (IRAM) . 168 3.7.2 Radioteleskop Effelsberg . 170 3.7.3 Calar-Alto-Sternwarte. 171 3.7.4 Sonnenteleskope . 174 4 Struktur der astronomischen Forschung . 175 4.1 Historische Entwicklung. 175 4.2 Gegenwärtiger Stand . 178 4.3 Forschungsinstitute . 180 4.4 Instrumente der Forschungsförderung . 185 4.5 Ausbildung. 188 4.6 Astronomie und Öffentlichkeit. 190 5 Empfehlungen . 193 5.1 Grundlegende Aspekte. 193 5.2 Instrumente und Projekte . 195 5.3 Große Projekte. 199 5.4 Mittlere Projekte . 199 5.5 Kleine Projekte . 201 5.6 Organisatorische Maßnahmen . 206 5.7 Wechselwirkung und Kooperation. 209 5.8 Sicherung und Stärkung der Förderinstrumente . 212 6 Anhang. 222 Mitgliedsinstitute des Rates Deutscher Sternwarten . 222 Glossar/Akronyme . 232 Teleskope, Instrumente, Experimente . 234 VI Redaktionskomitee Prof. Dr. Andreas Burkert, München Prof. Dr. Reinhard Genzel, Garching Prof. Dr. Günther Hasinger, Garching Prof. Dr. Gregor Morfill (Vorsitz), Garching Prof. Dr. Peter Schneider, Bonn Prof. Dr. Detlev Koester, Kiel (Vorsitzender des Rates Deutscher Sternwarten) Wir danken allen Mitgliedern des Rates Deutscher Sternwarten sowie der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die tatkräftige Unterstützung. VII Astronomie. DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft Copyright © 2003 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA ISBN: 3-527-27220-8 Vorwort Die moderne astronomische Forschung befasst sich mit Fragen, deren Faszination sich niemand entziehen kann: Wie ist das Universum entstanden, wie ist die Materie darin verteilt, welchem Schicksal geht es entgegen? Wie bilden sich Sterne, Galaxien und Schwarze Löcher? Unter welchen Bedingungen können Planetensysteme um Sterne entstehen? Die bei der Beantwortung dieser Fragen erreichten Fortschritte in den letzten beiden Jahrzehnten sind außerordentlich und haben intensives öffent- liches Interesse hervorgerufen. Gleichzeitig haben technologische Innovationen neue Fenster ins All aufgestoßen, die ungeahnte neue Erkenntnisse für die Zukunft versprechen. Die aktuelle Forschung in der Astronomie ist dabei sehr stark physika- lisch geprägt, so dass Astronomie und Astrophysik Synonyme sind. Die vorliegende „Denkschrift Astronomie“ identifiziert auf der Basis einer Be- standsaufnahme die wichtigsten Schwerpunkte der astrophysikalischen Forschung der nächsten 10 bis 15 Jahre und stellt die Voraussetzungen dafür dar, dass deutsche Astrophysiker wie in der Vergangenheit auch zukünftig eine international führende Rolle einnehmen können. Sie wurde vom Rat Deutscher Sternwarten erarbeitet und setzt die Tradition der Denkschriften von 1962 und 1987 fort. Zunächst werden die zurückliegenden großen wissenschaftlichen Erfolge skizziert und anschließend die Kernfragen der Astrophysik der nächsten beiden Jahrzehnte beschrieben. Damit richtet sich die Denkschrift an Forscherinnen und Forscher in Universitäten und außeruniversitären Einrichtungen, deren gemeinsames Engagement notwendig ist, um zu den Antworten auf diese Fragen beizutragen. Davon ausgehend wird abge- leitet, welche Prioritäten für die Nutzung vorhandener und den Bau neuer, meist internationaler Beobachtungseinrichtungen gesetzt werden sollten. Weitere Empfeh- lungen betreffen die Struktur der astronomischen Forschung in Deutschland. Damit richtet sich die Denkschrift gleichzeitig auch an politisch verantwortliche Stellen beim Bund und bei den Ländern. Bei der optimalen Förderung der Astronomie spielt ein abgestimmtes Zusam- menwirken aller nationalen und internationalen Partner eine wesentliche Rolle. Die DFG-Denkschrift Astronomie von 1987 hat unter anderem den Weg zur Einrichtung der Verbundforschung durch das BMBF geebnet. Auf den Gebieten der boden- gebundenen Astronomie, der satellitengestützten Astronomie und der Astroteilchen- physik werden hier die projektbezogene Nutzung von internationalen Großgeräten und die Beteiligung an ihrer instrumentellen Ausstattung unterstützt. Dieses wich- IX Astronomie. DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft Copyright © 2003 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA ISBN: 3-527-27220-8 Vorwort tige Förderinstrument hat in der letzten Dekade reiche Früchte getragen und stellt einen direkten Erfolg der vorausgegangenen Denkschrift dar. Es ist zu wünschen, dass auch die in der jetzt vorgelegten Denkschrift begründeten Maßnahmen mög- lichst weitgehend und mit langfristigem Planungshorizont umgesetzt werden, damit deutsche Wissenschaftler auch weiterhin erfolgreich zur Entwicklung der Astro - nomie beitragen können. Ich bedanke mich bei den Autoren und allen, die mit Diskussionen und Anre- gungen zur Erstellung dieser eindrucksvollen Denkschrift beigetragen haben. Prof. Dr. Ernst-Ludwig Winnacker Präsident der Deutschen Forschungsgemeinschaft
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