Quelle: DESY.

Die vor knapp 50 Jahren entwickelte Methode der stellaren Intensitätsinterferometrie könnte eine vielversprechende Zweitnutzung von Gammastrahlen-Observatorien wie dem künftigen Cherenkov Telescope Array (CTA) erlauben, wie das von Astronomen des Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) und der University of Utah geleitete Team, dem auch Wissenschaftler von DESY angehören, im Fachblatt „Nature Astronomy“ schreibt.

„Ein gutes Verständnis der Sternenphysik ist wichtig für eine ganze Reihe astronomischer Fachgebiete, von der Suche nach Exoplaneten bis hin zur Kosmologie“, erläutert Nolan Matthews von der University of Utah, einer der Autoren der Studie. „Allerdings werden Sterne wegen ihrer großen Entfernung von der Erde oft als Punktlichtquellen gesehen.“ Die Interferometrie habe sich als sehr erfolgreiche Technik erwiesen, wenn es darum gehe, eine ausreichende Winkelauflösung zur Untersuchung von Sternen zu erreichen. „Wir haben gezeigt, dass optische Intensitätsinterferometrie-Messungen mit einer Matrix aus vielen Teleskopen möglich sind, die wiederum unserem Verständnis von Sternsystemen helfen werden“, sagt Matthews.

Normalerweise spähen die VERITAS-Teleskope nach den schwachen blauen Blitzen des Cherenkov-Lichts, das entsteht, wenn kosmische Gammastrahlen auf die Erdatmosphäre treffen. Diese Beobachtungen sind jedoch auf dunkle mondlose Stunden beschränkt. Das Team nutzte für seine Studie im Dezember 2019 eine Zeit, als VERITAS seine normalen Beobachtungen nicht durchführen konnte. „Dank moderner Elektronik konnten wir die Lichtsignale der einzelnen Teleskope per Computer kombinieren. Das resultierende Instrument hat die optische Auflösung eines Reflektors von der Größe eines Fußballfelds“, erklärt Forschungsleiter David Kieda von der University of Utah. „Dies ist die erste Anwendung der ursprünglichen Hanbury-Brown-Twiss-Methode bei einer Matrix optischer Teleskope.“

Das Team beobachtete beide Sterne mehrere Stunden lang. Die Messungen ergaben Winkeldurchmesser von 0,523 Millibogensekunden für Beta Canis Majoris und 0,631 Millibogensekunden für Epsilon Orionis. Eine Millibogensekunde entspricht in etwa der Ausdehnung einer Zwei-Cent-Münze auf dem Eiffelturm in Paris von New York aus betrachtet. „Die Messwerte für beide Sterne stimmen gut mit früheren Messungen überein, die mit derselben Technik mit den Narrabri-Teleskopen in den 1970er Jahren durchgeführt wurden“, berichtet DESY-Forscher Tarek Hassan, der an der Auswertung der VERITAS-Messungen beteiligt war. Die von 1963 bis 1974 betriebenen Narrabri-Teleskope waren die ersten Instrumente, die Sterndurchmesser mit Hilfe der stellaren Intensitätsinterferometrie bestimmt haben. Das VERITAS-Team konnte jetzt erhebliche Verbesserungen der Empfindlichkeit der Technik zeigen und auch ihre Skalierbarkeit dank digitaler Elektronik.

Mit der Methode lassen sich auch Dutzende von Teleskopen kombinieren, betonen die Forscher. Das könnte sich als eine interessante Option für nicht nutzbare Beobachtungszeit am künftigen Cherenkov-Teleskop-Array erweisen. Es wird das größte Gammastrahlen-Observatorium der Welt sein. Das CTA wird Gammateleskope in drei Größenklassen umfassen, DESY ist für die mittelgroßen Teleskope verantwortlich. „Das CTA wird bis zu 99 Teleskope mit Kilometer-Basislinien auf der Südhalbkugel und 19 Teleskope mit mehreren hundert Metern Basislinien auf der Nordhalbkugel besitzen“, erläutert Hassan. „Stellare Intensitätsinterferometrie-Messungen mit dem CTA könnte uns künftig erlauben, Sterne mit beispielloser Winkelauflösung zu untersuchen.“

Die Intensitätsinterferometrie könnte es den Wissenschaftlern dabei nicht nur ermöglichen, die Durchmesser von Sternen zu bestimmen, sondern auch Sternenoberflächen abzubilden und die Eigenschaften von Systemen wie wechselwirkenden Doppelsternen, schnell rotierenden Sternen oder pulsierender sogenannter Cepheiden-Variablen zu messen. In einer früheren Studie hatten Forscherinnen und Forscher in einem innovativen Verfahren mit Gammateleskopen bereits die Größe von Sternen bestimmt, indem sie Asteroidenbedeckungen dieser Sterne beobachteten. Diese Untersuchungen zeigen, dass Gammateleskope und die Forschung mit ihnen vielseitiger sind als angenommen.

VERITAS ist ein System aus vier optischen Zwölf-Meter-Reflektoren für die Gammastrahlenastronomie am Fred-Lawrence-Whipple-Observatorium des CfA in Amado, Arizona. VERITAS wird durch das U.S. Department of Energy Office of Science, die U.S. National Science Foundation und die Smithsonian Institution, NSERC aus Kanada, sowie die Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt. An VERITAS arbeiten etwa 80 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 20 Institutionen in den Vereinigten Staaten, Kanada, Deutschland und Irland.

Oringinalveröffentlichung:
Stellar Intensity Interferometry with the VERITAS array; The VERITAS Collaboration; „NatureAstronomy“, 2020; DOI: 10.1038/s41550-020-1143-y

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• Cherenkov Telescope Array

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten im Jahr 1995 konnten Astronomen bis zum heutigen Tag außerhalb unseres Sonnensystems 1.855 Planeten nachweisen. Einen wesentlichen Beitrag bei dieser Suche lieferte das auf die Exoplanetensuche spezialisierte Weltraumteleskop Kepler.
Nach seinem Start am 7. März 2009 hat Kepler über einen Zeitraum von vier Jahren hinweg im Bereich der Sternbilder Schwan, Drache und Leier systematisch mehr als 150.000 Sterne anvisiert und dabei mittels der „Transitmethode“ nach Anzeichen für dort befindliche Planeten Ausschau gehalten.

Sobald ein Exoplanet – von der Erde aus betrachtet – direkt vor seinem Mutterstern vorbeizieht, nimmt die Helligkeit des beobachteten Sterns um einen winzigen Bruchteil ab, da der vorbeiziehende Planet einen Teil des von seinem Zentralgestirn ausgehenden Lichts abschirmt. Durch die wiederholten Beobachtungen dieser periodisch auftretenden Helligkeitsveränderungen kann der Durchmesser und die Dauer der Umlaufzeit des verursachenden Planeten bestimmt werden. Anhand der Daten des Weltraumteleskops konnten so bisher 996 Exoplaneten definitiv nachgewiesen werden. Weitere rund 4.000 ‚Planetenkandidaten‘ warten dagegen noch auf ihre Bestätigung, für die zunächst weiterführende Beobachtungen mit anderen Teleskopen notwendig sind.

Um die Suche nach Exoplaneten mit der dafür notwendigen Präzision durchführen zu können ist es jedoch zwingend notwendig, dass das Weltraumteleskop Kepler bei seinen Beobachtungen über eine äußerst genaue und zudem dauerhaft stabile Ausrichtung im Weltall verfügt. Diese Ausrichtung wird allerdings durch den von der Sonne ausgehenden Strahlungsdruck negativ beeinflusst, der mit seiner zwar minimalen, aber doch deutlich spürbar einwirkenden Kraft zu einer permanenten Veränderung der Orientierung des Weltraumteleskops im Raum führt. Um dieser Kraft entgegenzuwirken wurde Kepler mit vier Reaktionsrädern ausgestattet, welche das Weltraumteleskop in allen drei Achsen stabilisieren sollte.

Die Kepler-Mission war eigentlich beendet
Als im Mai 2013 auch das zweite dieser vier Reaktionsräder ausfiel (Raumfahrer.net berichtete) – mindestens drei stabilisierende Kreisel werden jedoch benötigt – schien es zunächst so, als ob die bis dahin überaus erfolgreiche Kepler-Mission beendet werden muss.

Die „K2“-Mission
Die Mitarbeiter der Kepler-Mission waren jedoch nicht bereit, ihr Teleskop ‚einfach so‘ abzuschreiben. Stattdessen wurde von den beteiligten Ingenieuren und Wissenschaftlern ein innovatives Missionskonzept entwickelt, welches in dieser Form bisher noch nie in der Praxis erprobt wurde. Kepler – so die zugrunde liegende Idee – sollte in Zukunft das Sonnenlicht als dritten stabilisierenden ‚Kreisel‘ nutzen. Auf diese Weise kann Kepler in einer Achse stabilisiert werden. Für die anderen beiden Achsen sollten dagegen weiterhin die zwei noch verbliebenen Reaktionsräder genutzt werden.

Zu diesem Zweck muss das Weltraumteleskop ‚lediglich‘ so ausgerichtet werden, dass sich der von der Sonne ausgehende Strahlungsdruck gleichmäßig über das Teleskop verteilt und auf diese Weise die Notwendigkeit von Lagekorrekturen, welche ja letztendlich erst durch genau diesen Strahlungsdruck erforderlich werden, entfällt.

Für dieses alternative Konzept – so die Mitarbeiter der Kepler-Mission müsste allerdings das bisherige Beobachtungsprogramm deutlich modifiziert werden. Das Weltraumteleskop muss sich bei seinen Beobachtungen in Zukunft auf den Bereich der Ekliptik beschränken. Um eine dauerhafte Stabilisierung zu gewährleisten, muss zudem alle 83 Tage die Orientierung und damit auch das Sichtfeld von Kepler verändert werden, was zur Folge hat, dass dann für die folgenden 12 Wochen eine andere in der Ekliptik gelegene Himmelsregion in den Aufnahmebereich des Teleskops rückt.

Neben der Suche nach Exoplaneten, so die Kepler-Wissenschaftler, soll das Weltraumteleskop hierbei dann auch für die Beobachtung und Untersuchung von Sternhaufen, Galaxien, einzelner Sterne und Supernovae eingesetzt werden. Nach einer eingehenden Analyse dieses Vorschlags gab die NASA schließlich im Mai 2014 bekannt, dass dieses neue, als „K2-Mission“ bezeichnete Missionskonzept bewilligt und die finanziellen Mittel für einen zunächst auf zwei Jahre befristeten Weiterbetrieb von Kepler bereitgestellt wurden.

Ein erster Achtungserfolg noch während der Testphase

Unabhängig von dieser Entscheidung wurde Kepler jedoch bereits im Februar 2014 wie hier beschrieben eingesetzt und hat dabei im Rahmen einer ersten, neun Tage andauernden Testkampagne regelmäßig Aufnahmen von dem dabei im Sichtbereich gelegenen Sternfeld angefertigt. Durch die Auswertung der dabei gewonnenen Daten, bei denen fast 2.000 Sterne abgebildet wurden, zeigte sich jetzt, dass das Weltraumteleskop tatsächlich wieder erfolgreich als ‚Exoplanetenjäger‘ eingesetzt werden kann.

Am 18. Dezember 2014 gaben die an der Mission beteiligten Wissenschaftler bekannt, dass in den Daten, welche bereits im Februar aufgezeichnet wurden, ein weiterer Exoplanet entdeckt wurde. Dieser neu entdeckte Planet trägt die Bezeichnung HIP 116454b, verfügt über einen Durchmesser von etwa 32.000 Kilometern und in etwa über die 12-fache Masse der Erde. Für eine vollständige Umrundung seines Zentralsterns benötigt dieser somit als Supererde klassifizierte Planet einen Zeitraum von 9,1 Tagen. Die mittlere Entfernung zwischen Planet und Stern beträgt dabei rund 13,5 Millionen Kilometern. HIP 116454 – der besagte Zentralstern des Exoplaneten – ist etwas kleiner und kühler als die Sonne, gehört der Spektralklasse „K1“ an und befindet sich rund 180 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt im Sternbild Fische.

Der Planet wurde mittlerweile durch nachfolgende Untersuchungen mit dem HARPS-N-Instrument am Telescopio Nazionale Galileo auf der Kanareninsel La Palma sowie durch Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop MOST bestätigt.

Obwohl HIP 116454b laut den gewonnenen Daten definitiv keinen Ort darstellt, bei dem es sich um einen für die Entstehung von extraterrestrischen Leben geeigneten Planeten handelt, stellt diese Entdeckung trotzdem unter Beweis, dass das Weltraumteleskop Kepler auch in der jetzigen Missionsphase „K2“ erfolgreich als Exoplanetenjäger agieren kann.

„Wie ein Phoenix aus der Asche wurde Kepler neu geboren und ist bereit, weitere Entdeckungen zu machen“, so Andrew Vanderburg vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA). „Besonders erfreulich ist dabei, dass sich der entdeckte Planet [aufgrund der Nähe seines Zentralsterns zur Erde] für Folgestudien eignet.“

Allerdings haben die mittlerweile veränderten Missionsparameter auch zur Folge, dass die jetzt erfolgenden Beobachtungen von Kepler trotz aller Bemühungen nicht mit der zuvor erreichten Präzision durchgeführt werden können. Durch die Anwendung einer speziell hierfür entwickelten Korrektursoftware kann jedoch eine photometrische Genauigkeit erreicht werden, welche einen Wert von mehr als 50 Prozent der während der Primärmission erreichten Qualität gewährleistet.

Die hier lediglich kurz beschriebene Entdeckung eines weiteren Exoplaneten durch das Weltraumteleskop Kepler wurde kürzlich von Andrew Vanderburg et al. unter dem Titel „Characterizing K2 Planet Discovieries: A Super-Earth transiting the bright K-Dwarf HIP 116454“ in der Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal“ publiziert.

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• Kepler

Fachartikel von A. Vanderburg et al.:

• Characterizing K2 Planet Discovieries: A Super-Earth transiting the bright K-Dwarf HIP 116454 (Volltext, engl.)

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Ein Beitrag von Martin Ollrom. Quelle: Center for Astrophysics (CfA).

Der Planet Merkur siedet. Am Planeten Mars ist es eigentlich ständig frostig. Unsere Erde bietet diesbezüglich die richtige Mischung von Wärme und Kälte. Wenn man diese drei Temperaturen nun hernimmt kommt man zu folgender logischer Schlussfolgerung: je weiter man sich der Sonne entfernt desto kälter wird ist. Wenn Mars schon so irrsinnig kalt sein kann, wie sieht es erst am Pluto aus?
Aufgrund der Entfernung und der geschätzten Sonneneinwirkung hat man eine Temperatur errechnet, die laut Angaben von Astronomen sehr genau sein sollte. Nun hat man aber festgestellt, dass man sich entweder verrechnet hat oder Pluto kälter ist als angenommen. Während dessen diskutiert man ja noch ob Pluto ein Planet ist oder als Kuiper-Gürtel Objekt angesehen werden soll. Egal unter welche Klassifikation er nun fällt, er bewahrt seine sehr interessanten Geheimnisse sehr gut. Er hat aber nicht nur Geheimnisse über sich selbst, sondern auch über das frühe Sonnensystem und über den Prozess der Planetenentstehung. Aber nicht nur Pluto sondern auch Charon ist sehr geheimnisvoll. Der Mond Charon hat etwa die Hälfte des Durchmessers von Pluto. Damit bilden sie ein einzigartiges Paar in unserem Sonnensystem – wie es aber zu diesem Paar kam ist noch unklar. Pluto ist etwa dreißig mal so weit von der Sonne entfernt wie unsere Erde. Mit dementsprechender Verzögerung kommt das Sonnenlicht bei Pluto an. Die Sonnenentfernung des neunten Planeten hängt sehr von der Position auf seiner Bahn um die Sonne ab. Seine größte Annäherung ist 30 Astronomische Einheiten (1 AE = durchschnittliche Entfernung Sonne – Erde) und die größte Entfernung die gemessen wurde waren 50 Astronomische Einheiten. Wenn Pluto gerade weit von der Sonne entfernt ist, gefriert seine dünne Atmosphäre und stürzt als Eis auf die Oberfläche.

Das reflektierte Sonnenlicht wurde vom Submillimeter Array (SMA) und vom Hubble Teleskop aufgefangen und analysiert. Durch diese Analysen ist man zur Schlussfolgerung gekommen, dass Pluto kälter sein musste als bisher angenommen. Insbesondere war überraschend, dass Charon wärmer ist als Pluto selbst. Kein Teleskop war bisher in der Lage die Temperatur eines Himmelskörpers genau zu bestimmen.

Weltpremiere
Nun konnte man aber mit dem Submillimeter Array (SMA), auf Hawaii, erstmals direkt die Temperatur eines Himmelskörper, genauer gesagt von Pluto und Charon, bestimmen. „Wir kennen alle die Venus mit ihrem lebensfeindlichen Treibhauseffekt“, erklärt Mark Gurwell vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), Co-Autor dieser Studie, die gemeinsam mit Bryan Butler vom National Radio Astronomy Observatory verfasst wurde. „Pluto ist ein dynamisches Beispiel für etwas das wir Anti-Treibhauseffekt nennen. Die Natur mag es scheinbar uns Geheimnisse zu hinterlassen – und dies war ein großes Geheimnis.“

Das SMA ist die beste Einrichtung um hochauflösende Interferometrie-Daten zu gewinnen, mit denen es möglich ist direkte Temperaturmessungen auf einen Himmelskörper durch zu führen. So konnten Temperaturen von -230 Grad Celsius für Pluto errechnet werden, erwartet wurden -220 Grad Celsius die am Mond Charon auch gemessen werden konnten. Bisher dachte man, dass dieses Pluto-Charon System gleiche Oberflächentemperaturen aufweisen würde. Man glaubt den Grund zu kennen: die Ausgeglichenheit zwischen der eisigen Oberfläche und der sehr dünnen Stickstoff-Atmosphäre. Es hat also nicht unbedingt immer nur mit der Sonneneinstrahlung zu tun. Die Sonnenstrahlen, die auf der Pluto-Oberfläche ankommen, verwandeln Eis in Gas, was zu einer Ausgeglichenheit von Oberfläche und Atmosphäre führt. Kommt weniger Sonnenstrahlung auf der Oberfläche an ist klarerweise zu wenig Gas in der Atmosphäre und bei dem damit verbundenen Temperaturverlust fällt die Atmosphäre als Eis auf die Oberfläche was zu einer Unausgeglichenheit von Oberfläche und Atmosphäre führt.

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Ein Beitrag von Michael Stein, bearbeitet Star-Light. Quelle: NASA/CXC.

Die Beobachtungen von Chandra in Verbindung mit weiteren Beobachtungen im ultravioletten Spektralbereich sind ein wesentlicher Fortschritt für unser Verständnis, wie sich das Universum in den letzten zehn Milliarden Jahren entwickelt hat“, sagt Fabrizio Nicastro vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) in Cambridge (USA) und Leiter eines der an dieser Entdeckung beteiligten Teams.

Vier verschiedene Wissenschaftlerteams haben mit Hilfe des Röntgenteleskops Chandra intergalaktische Gase mit Temperaturen zwischen 300.000 und 5 Millionen Grad Celsius entdeckt. Diese Gase bilden einen Teil eines gigantischen Systems von heißen Gasen und Dunkler Materie, das die „kosmische Landschaft“ prägt. Alleine die gasförmigen Bestandteile dieses Systems enthalten mehr Materie als alle Sterne im Universum zusammen.

„Wir hatten von der Urknalltheorie und Beobachtungen des frühen Universums her starke Indizien für die Existenz dieses Gases in der Gegenwart, aber es entzog sich […] bisher unserer Entdeckung“, so Claude Canizares vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), der zusammen mit Taotao Fang eines der vier Teams leitete.

Die von Chandra entdeckten heißen Gase können benutzt werden, um das Vorhandensein der dichteren Dunklen Materie zu verfolgen, da sich sich aufgrund gravitativer Verbindungen dort konzentrieren, wo auch die Dunkle Materie gehäuft vorkommt. Ihre Entdeckung kann die Astronomen unter Umständen in Zukunft in die Lage versetzen, die Verteilung der Dunklen Materie zu kartieren und ihren Ursprung zu verstehen.

Teleskope, die im ultravioletten Spektralbereich arbeiten, hatten kühlere Bestandteile des Systems aus heißen Gasen bereits entdeckt, aber der Großteil dieser Gase ist aufgrund der enorm hohen Temperaturen nur mit einem sehr empfindlichen Röntgenteleskop wie Chandra sichtbar.

Die verschiedenen Wissenschaftlerteams haben zwei Techniken für den Nachweis des intergalaktischen Gases benutzt. Eine Methode nutzte den Effekt aus, dass das Gas Röntgenstrahlen, die von weit entfernten Galaxien emittiert werden, auf ihrem Weg zur Erde teilweise absorbiert. Durch die Messung der Abschwächung dieser Strahlung – verursacht durch Sauerstoff und andere Elemente in den Gaswolken – konnten Astronomen Rückschlüsse auf die Temperatur, Dichte und Masse ziehen. Beobachtungen der beiden Quasare PKS 2155-304 und H1821+643 durch drei Teams enthüllten verschiedene Teile dieses Systems von heißen Gaswolken. In einem dieser Teile scheinen unter anderem unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, wie auch die Andromeda-Galaxie eingebettet zu sein, während andere mit dieser Methode entdeckte Gaswolken sich Milliarden von Lichtjahren entfernt befinden.

Diese Ergebnisse bestätigten frühere Arbeiten der Wissenschaftler Joel Bregman und Jimmy Irwin von der University of Michigan (USA), die mit der genau entgegengesetzten Methode arbeiteten: Sie nutzten die Tatsache aus, dass das heiße Gas selbst eine Röntgenquelle ist, und beobachteten die Abschwächung dieser Röntgenstrahlen bei ihrem Durchgang durch eine im Vordergrund befindliche Galaxie, was Rückschlüsse auf das dahinter liegende heiße Gas zuließ. „Normalerweise studieren Ärzte die Schatten, die unsere Knochen bei einer Röntgenaufnahme werfen, um mehr über die Knochen zu erfahren“, so Bregman. „Wir jedoch haben die Schatten genutzt, um etwas über den Röntgenapparat zu lernen.“

Während der ersten Milliarden Jahre nach der Entstehung unseres Universums haben sich rund 20 Prozent der Materie durch die Schwerkraft zu Strukturen wie Galaxien zusammengefunden. Verschiedene Theorien behaupten, dass der Großteil der verbleibenden Materie ein gigantisches Netzwerk bildet, dass die verschiedenen Gruppen und Cluster von Galaxien miteinander verbindet und so heiß ist, dass es für optische, infrarote und Radioteleskope nicht sichtbar ist. Nun scheint es, als ob erste Schatten dieses Netzwerkes gefunden sind.

Der Beitrag Intergalaktisches Netzwerk entdeckt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.