Dr. Javier Garcia

Humboldt-Forschungsstipendiat an der Dr. Karl Remeis-Sternwarte Bamberg, Astronomisches Institut

Röntgenaufnahmen des Innersten eines Schwarzen Lochs

Dr. Garcias wissenschaftliche Karriere begann in seiner Heimat Venezuela, wo er einen Master in Physik erhielt. Für den Master arbeitete Dr. Garcia an der Berechnung von atomaren Daten, die für die Astrophysik benötigt werden.

2010 promovierte er im Fach Physik an der Catholic University of America in Washington. In seiner Dissertation, die er am NASA Goddard Space Flight Center verfasste, legte Dr. Garcia die Grundlagen für einen Berechnungscode, mit dessen Hilfe die Röntgenstrahlung abgebildet werden kann, die in Regionen in der unmittelbaren Nähe von Schwarzen Löchern produziert wird. Er fuhr fort diese Berechnungsmodelle zu erstellen und anzuwenden, um verschiedene astrophysikalische Quellen wie Schwarze Löcher in Doppelsternsystemen mit einer Masse ähnlich der der Sonne oder auch supermassive Schwarze Löcher mit einer millionen- bis milliardenfach größeren Masse zu studieren, die im Zentrum vieler aktiven Galaxien beobachtet werden.

Aktuell ist Dr. Garcia Postdoktorand am California Institute of Technology in Pasadena, wo er dem wissenschaftlichen Team der NASA-Röntgenmission nuSTAR angehört. Des Weiteren ist er Gastwissenschaftler am Harvard-Smithsonian Center für Astrophysik und Senior Research Fellow der Alexander von Humboldt-Stiftung.

Die Zusammenarbeit mit der FAU, vor allem mit den Mitgliedern der Sternwarte in Bamberg, hat das aktuell fortschrittlichste Modell hervorgebracht, mit dem die hohe Energieemission astrophysikalischer Schwarzer Löcher untersucht werden kann.

Was genau hat Ihr Interesse für die Astrophysik und Schwarze Löcher geweckt?

Während des ersten Jahres meiner wissenschaftlichen Karriere als Physiker hatte ich das Glück in meiner Heimatstadt eine totale Sonnenfinsternis beobachten zu können. Dieses Erlebnis hat mich zur Astronomie hingezogen. Kurz darauf las ich ein großartiges Buch mit dem Titel A Brief History of Time von Stephen Hawking und einige Zeit später Black Holes and Time Warps von Kip Thorne. Diese zwei Bücher haben mir gezeigt, wie unglaublich interessant Schwarze Löcher sind. Seitdem suchte ich nach Möglichkeiten etwas, was mit Schwarzen Löchern zu tun hat, zu studieren. In meinem Fall war und ist es die Erforschung der Eigenschaften von Röntgenemissionen in extremen astrophysikalischen Umgebungen.

Warum haben Sie sich für die FAU als Gastuniversität entschieden?

Während der letzten Jahre hat sich eine äußerst erfolgreiche Zusammenarbeit mit dem Team von Prof. Joern Wilms an der Dr. Karl Remeis-Sternwarte in Bamberg entwickelt. Die theoretischen Modelle, die benötigt werden, um die über Schwarze Löcher und ähnliche Quellen gesammelten Daten zu erklären, sind schon kompliziert genug, sodass sie unmöglich von einer Person oder einer Gruppe durchgeführt werden können. Mit meinen Kollegen in den USA erstelle ich komplexere Modelle für das synthetische Spektrum inklusive detaillierter Atomphysik, während die relativistischen Effekte, die von der starken Anziehungskraft Schwarzer Löcher verursacht werden, mit Hilfe der Codes berechnet werden, die von Dr. Thomas Dauser und Prof. Wilms in Bamberg geschrieben wurden. Die Kombination aus diesen beiden Herangehensweisen führte zu einer perfekten Synergie, die es uns nun erlaubt in unserer Forschung wesentlich schneller voranzuschreiten.

Wie sichtbar ist die FAU in Ihrem Forschungsgebiet?

Die FAU ist innerhalb der Röntgengemeinschaft sehr bekannt, vor allem dank der wichtigen Rolle, die Prof. Wilms während der letzten Jahre gespielt hat, aber auch dank der kontinuierlichen Beiträge vieler exzellenter FAU-Studierender und Postdocs in Form von wissenschaftlichen Veröffentlichungen, Konferenzvorträgen und Postern. Zudem ist das Observatorium in Bamberg eng in die Entwicklung der Europäischen Röntgenmissionen Athena und eRosita eingebunden, welche zwei der aufregendsten Röntgenobservatorien sind, die momentan in Planung sind.

Wie finden Sie die Zusammenarbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an der FAU?

Das ist auf jeden Fall einer der positivsten Aspekte meines Aufenthalts hier. Die Zusammenarbeit mit allen Mitgliedern am Observatorium war mehr als angenehm. Das trifft sowohl auf Fakultätsmitglieder, Postdocs als auch Studierende zu. Schon in der kurzen Zeit, die ich jetzt hier verbringe, haben wir angefangen über verschiedene Forschungsprojekte zu sprechen, die über das hinausgehen, was ursprünglich geplant war.

Können Sie kurz erklären, womit sich Ihre Forschungsgruppe beschäftigt?

In der Nähe von Schwarzen Löchern, die ja bekanntlich Materie anziehen – wie zum Beispiel solche in Doppelsternsystemen oder im Zentrum vieler Galaxien – sind die Bedingungen sehr extrem und aus diesem Grund werden dort große Mengen an energiereicher Strahlung produziert. Ein Großteil dieser Strahlung kann im Röntgenstrahlenband beobachtet werden. Ich fokussiere mich dabei auf die Interaktion dieser Röntgenstrahlen mit dem Gas nahe des Schwarzen Loches und wie diese Strahlung durch die Interaktion beeinflusst wird. Man kann es sich als eine Art „Röntgenaufnahme“ der innersten Regionen eines Schwarzen Loches vorstellen. Indem wir die Modelle mit unseren Beobachtungen zusammenführen, erhalten wir Informationen über das Schwarze Loch – ob es sich zum Beispiel dreht und wie schnell oder nicht, ebenso Informationen über das Gas in der Nähe, wie seine Zusammensetzung, Temperatur und Dynamiken.

Was ist Ihre Aufgabe innerhalb der Forschungsgruppe?

Meine Hauptaufgabe ist die Entwicklung und Verbesserung der sogenannten „Röntgenreflexionsmodelle“. Man kann sich das in etwa wie eine große Bibliothek synthetischer Spektren vorstellen, welche die Reflexion von Röntgenstrahlen abseits einer Akkretionsscheibe eines Schwarzen Loches unter sehr unterschiedlichen Bedingungen hervorsagt. Eine Akkretionsscheibe ist eine um ein Schwarzes Loch rotierende Scheibe, die Materie in das Zentrum des Schwarzen Loches transportiert. Diese Spektren enthalten große Mengen von Atomlinien und anderen Eigenschaften, die dann mit dem verglichen werden, was bei Schwarzen Löchern mit hoher Energie beobachtet wird. Momentan leite ich zudem ein Programm zur Berechnung neuer atomarer Daten um unsere Datenbank zu erweitern. Zusätzlich sollen diese Daten zahlreichen Archivdaten von den verschiedenen Röntgenobservatorien hinzugefügt werden.

Was sind die bislang wichtigsten Ergebnisse Ihrer Forschung an der FAU?

Die Zusammenarbeit mit der FAU, vor allem mit den Mitgliedern der Sternwarte in Bamberg, hat das aktuell fortschrittlichste Modell hervorgebracht, mit dem die hohe Energieemission astrophysikalischer Schwarzer Löcher untersucht werden kann. Unser Modell wurde schnell das hochmodernste innerhalb der Röntgengemeinschaft. Mit ihm wurden bereits über 80 Systeme von Schwarzen Löchern untersucht, die sowohl Schwarze Löcher stellarer Masse, als auch supermassereiche Löcher enthalten. Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass in den meisten Fällen das Schwarze Loch sich sehr schnell dreht –  nahe dem von der Allgemeinen Relativitätstheorie erlaubten Höchstwert. In diesen Fällen ist zu beobachten, dass die Röntgenstrahlung stark gestört ist. Das ist eine Folge der Biegung der Photonenbahnen, die sich ergibt, wenn Photonen sich in einer gekrümmten Raumzeit bewegen. Die Entdeckung dieser Phänomene begründet einen indirekten Beweis für die Richtigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie. Zudem haben wir erst kürzlich starke Hinweise auf eine sehr große Menge schwerer Elemente wie Eisen in dem Gas nahe eines Schwarzen Loches gefunden. Die vermutete Menge ist um einige Faktoren größer als was üblicherweise zu erwarten wäre. Nach einer Erklärung hierfür wird immer noch gesucht.

Wie bereichert oder beeinflusst Ihre Forschung die Gesellschaft?

Diese Frage zu beantworten ist immer sehr schwer, da der Nutzen von Grundlagenwissenschaften wie Physik oder Astronomie fast nie direkt, sondern durch ihren indirekten Beitrag zu allgemeinen wissenschaftlichen Erkenntnissen wahrgenommen wird. Dennoch sind Schwarze Löcher vermutlich eine der exotischsten Objekte im Universum und deswegen sollte ihre Erforschung immer eine hohe Priorität haben. Außerdem sind sie die großartigsten Labore, die man sich vorstellen kann: Die Bedingungen in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Loches können in keinem Labor auf der Erde simuliert werden. So geben sie uns die Chance das Verhalten von Masse in der starken Gravitationsgrenze zu untersuchen. Das beinhaltet auch die Möglichkeit aktuelle Theorien wie die Allgemeine Relativitätstheorie und bis zu einem gewissen Grad die Quantenmechanik zu testen.

Was waren Ihre ersten und nachfolgenden Eindrücke der Region um Erlangen und Nürnberg?

Bamberg ist einer der schönsten Orte an denen ich bis jetzt war. Hinsichtlich seiner Architektur und Landschaft ist Bamberg eine wunderschöne Stadt. Sie ist auch sehr ruhig, und dennoch gibt es viele interessante Orte, wo man essen oder ausgehen kann. Zudem gefällt es mir, dass ich mit dem Zug ganz einfach in genauso nette aber größere Städte wie Erlangen oder Nürnberg fahren kann.

Gibt es schon ein bestimmtes Highlight während Ihres Aufenthalts, an das Sie sich auch in Zukunft erinnern werden?

In meiner ersten Woche durfte ich bei der Verteidigung der Dissertation meiner Kollegin Dr. Natalie Hell dabei sein. Ich fand diese Erfahrung sehr nett. Vor allem hat mir gefallen, wie viel Mühe sich die anderen Studierenden bei der Organisation der Veranstaltung und der Feier danach gegeben haben. Ich hatte schon von der Tradition eines individuell gefertigten Doktorhutes gehört, aber ihn selbst zu sehen war toll. Auch mit Prof. Wilms Mercedes-Benz über die Autobahn zu fahren werde ich so schnell nicht vergessen.

Was sind Ihre Lieblingsorte an der FAU und in Erlangen beziehungsweise in Nürnberg?

Das Gebiet um die Dr. Karl Remeis-Sternwarte ist sehr besonders. Von dort aus hat man einen tollen Blick über die Stadt und mir macht es besonders Spaß mit der Remeis-Laufgruppe am Fluss entlang zu laufen. In der Stadt ist das Café Esspress zu meinem Lieblingsort für ein Frühstück am Wochenende geworden.

Gibt es noch etwas, dass Sie gerne erwähnen möchten?

Ich kann dieses Interview nicht beenden, ohne vorher meine Dankbarkeit gegenüber allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der FAU und an der Sternwarte in Bamberg auszudrücken. Ich habe mich von Anfang an sehr willkommen gefühlt und alle waren sehr bemüht sicherzustellen, dass ich alles bekommen was ich brauche. Ganz besonders muss ich den Studierenden für all ihre Aufmerksamkeit und Überlegungen während meiner Zeit hier danken.

Vielen Dank für das Interview, Dr. Garcia.