Quelle: ESON 11. April 2024.

11. April 2024 – Sternpaare sind sich normalerweise sehr ähnlich, wie Zwillinge. Doch bei HD 148937 scheint ein Stern jünger und im Gegensatz zum anderen magnetisch zu sein. Neue Daten der Europäischen Südsternwarte (ESO) deuten darauf hin, dass das System ursprünglich aus drei Sternen bestand, bis zwei von ihnen zusammenstießen und verschmolzen. Durch dieses einschneidende Ereignis entstand die umgebende Wolke und veränderte das Schicksal des Systems für immer.

„Beim Recherchieren der Hintergründe fiel mir auf, wie besonders dieses System zu sein schien“, sagt Abigail Frost. Sie ist Astronomin bei der ESO in Chile und Hauptautorin der heute in Science veröffentlichten Studie. Das System, HD 148937, befindet sich etwa 3800 Lichtjahre von der Erde entfernt in Richtung des Sternbilds Norma. Es besteht aus zwei Sternen, die viel massereicher sind als die Sonne und von einem wunderschönen Nebel, einer Wolke aus Gas und Staub, umgeben sind. „Ein Nebel, der zwei massereiche Sterne umgibt, ist eine Seltenheit, und wir hatten wirklich das Gefühl, dass in diesem System etwas Außergewöhnliches passiert sein muss. Als wir uns die Daten ansahen, wurde die Verblüffung nur noch größer.“

„Nach einer detaillierten Analyse konnten wir feststellen, dass der massereichere Stern viel jünger zu sein scheint als sein Begleiter, was keinen Sinn ergibt, da sie zur gleichen Zeit entstanden sein müssten!“, sagt Frost. Der Altersunterschied – der eine Stern scheint mindestens 1,5 Millionen Jahre jünger zu sein als der andere – deutet darauf hin, dass etwas den massereicheren Stern verjüngt haben muss.

Ein weiteres Teil des Puzzles ist der Nebel, der die Sterne umgibt, bekannt als NGC 6164/6165. Er ist 7500 Jahre alt, also Hunderte Male jünger als die beiden Sterne. Der Nebel weist auch sehr hohe Mengen an Stickstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff auf. Dies verwundert, da diese Elemente normalerweise tief im Inneren eines Sterns und nicht außerhalb erwartet werden; es scheint, als ob ein gewaltsames Ereignis sie freigesetzt hätte.

Um das Geheimnis zu lüften, sammelte das Team Daten aus neun Jahren mit den Instrumenten PIONIER und GRAVITY, die beide am Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der ESO in der chilenischen Atacamawüste installiert sind. Sie verwendeten außerdem Archivdaten des FEROS-Instruments am La Silla-Observatorium der ESO.

„Wir gehen davon aus, dass dieses System ursprünglich aus mindestens drei Sternen bestand, von denen zwei zu einem bestimmten Zeitpunkt ihrer Umrundung sehr nahe beieinander lagen, während ein anderer Stern viel weiter entfernt war“, erklärt Hugues Sana, Professor an der KU Leuven in Belgien und Hauptverantwortlicher für die Beobachtungen. „Die beiden inneren Sterne verschmolzen auf gewaltsame Weise, wodurch ein magnetischer Stern entstand. Dabei wurde einiges an Material herausgeschleudert, das den Nebel entstehen ließ. Der weiter entfernte Stern bildete eine neue Umlaufbahn mit dem neu verschmolzenen, nun magnetischen Stern, wobei der Doppelstern entstand, den wir heute im Zentrum des Nebels sehen.“

„Das Fusionsszenario hatte ich bereits 2017 im Kopf, als ich Nebelbeobachtungen mit dem Herschel-Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation untersuchte“, fügt Mitautor Laurent Mahy hinzu, derzeit leitender Forscher am Königlichen Observatorium von Belgien. „Die Entdeckung einer Altersdiskrepanz zwischen den Sternen deutet darauf hin, dass dieses Szenario das plausibelste ist, und nur die neuen ESO-Daten konnten es bestätigen.“

Dieses Szenario erklärt auch, warum einer der Sterne in diesem System magnetisch ist und der andere nicht – eine weitere Besonderheit von HD 148937, die in den VLTI-Daten entdeckt wurde.

Gleichzeitig hilft es, ein langjähriges Rätsel der Astronomie zu lösen: nämlich wie massereiche Sterne ihre Magnetfelder erhalten. Während Magnetfelder bei massearmen Sternen wie unserer Sonne üblich sind, können massereichere Sterne Magnetfelder nicht auf die gleiche Weise aufrechterhalten. Dennoch sind einige massereiche Sterne tatsächlich magnetisch.

Astronominnen und Astronomen hatten schon seit einiger Zeit vermutet, dass massereiche Sterne bei der Verschmelzung zweier Sterne Magnetfelder entwickeln können. Jetzt haben die Forscher zum ersten Mal direkte Beweise für diesen Vorgang gefunden. Im Falle von HD 148937 muss die Verschmelzung erst in jüngster Vergangenheit stattgefunden haben. „Man nimmt an, dass der Magnetismus in massereichen Sternen im Vergleich zur Lebensdauer des Sterns nicht sehr lange anhält. Es scheint also, dass wir dieses seltene Ereignis sehr kurz nach seiner Entstehung beobachtet haben“, fügt Frost hinzu.

Das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO, das derzeit in der chilenischen Atacamawüste gebaut wird, wird es den Forschern ermöglichen, die Vorgänge in diesem System genauer zu untersuchen und vielleicht noch mehr Überraschungen zu entdecken.

Weitere Informationen
Diese Forschungsergebnisse wurden in einem Artikel mit dem Titel „A magnetic massive star has experienced a stellar merger“ (Ein magnetischer massereicher Stern hat eine Sternverschmelzung erlebt) vorgestellt, der in Science (doi/10.1126/science.adg7700) erscheint.

Das Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert (Fördervereinbarung Nr. 772225: MULTIPLES; PI: Hugues Sana).

Das Team besteht aus A. J. Frost (Europäische Südsternwarte, Santiago, Chile [ESO Chile] und Institut für Astronomie, KU Leuven, Belgien [KU Leuven]), H. Sana (KU Leuven), L. Mahy (Königliches Observatorium von Belgien, Belgien und KU Leuven), G. Wade (Abteilung für Physik und Weltraumwissenschaften, Royal Military College of Canada, Kanada [RMC Space Science]), J. Barron (Abteilung für Physik, Ingenieurwesen und Astronomie, Queen’s University, Kanada und RMC Space Science), J.- B. Le Bouquin (Université Grenoble Alpes, Nationales Zentrum für wissenschaftliche Forschung, Institut für Planetologie und Astrophysik in Grenoble, Frankreich), A. Mérand (Europäische Südsternwarte, Garching, Deutschland [ESO]), F. R. N. Schneider (Heidelberger Institut für Theoretische Studien, Deutschland und Astronomisches Rechen-Institut, Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, Deutschland), T. Shenar (The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University, Israel und KU Leuven), R. H. Barbá (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de La Serena, Chile), D. M. Bowman (School of Mathematics, Statistics and Physics, Newcastle University, Großbritannien und KU Leuven), M. Fabry (KU Leuven), A. Farhang (School of Astronomy, Institut für Forschung in Grundlagenwissenschaften, Iran), P. Marchant (KU Leuven), N. I. Morrell (Las Campanas Observatory, Carnegie Observatories, Chile) und J. V. Smoker (ESO Chile und UK Astronomy Technology Centre, Königliches Observatorium, Großbritannien).

Über die ESO
Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftler*innen weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie.

Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt.

Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Forschungsartikel (Vorabdruck)
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2407/eso2407a.pdf

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• ESO

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 8. Januar 2024.

8. Januar 2024 – Ein Forscherteam, dem auch Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) angehören, hat im Zentralbereich einer planetenbildenden Scheibe eines jungen Sterns eine Struktur mit drei Ringen entdeckt. Sie deutet an, dass sich zwischen den Ringen zwei Planeten mit Jupitermasse bilden. Weiterhin wird die Staubzusammensetzung offenbar durch reichlich feste Eisenkörner ergänzt. Folglich enthält die Scheibe Metalle und Mineralien, die denen der terrestrischen Planeten des Sonnensystems ähneln. Sie bietet somit einen Einblick in Bedingungen vergleichbar derer des frühen Sonnensystems vor mehr als vier Milliarden Jahren, als Gesteinsplaneten wie Merkur, Venus und die Erde entstanden.

Die Entstehungsgeschichte der Erde und des Sonnensystems fasziniert die Wissenschaft und die Öffentlichkeit gleichermaßen. Durch die Erforschung der heutigen Eigenschaften unseres Heimatplaneten und anderer Objekte im Sonnensystem haben Forscherinnen und Forscher eine umfassende Vorstellung von den Bedingungen entwickelt, unter denen sie sich aus einer Scheibe aus Staub und Gas entwickelt haben, die die junge Sonne vor etwa 4,5 Milliarden Jahren umgab.

Drei Ringe, die auf zwei Planeten hindeuten
Mit den atemberaubenden Fortschritten in der Erforschung der Stern- und Planetenentstehung, die sich mit weit entfernten Himmelsobjekten befasst, können wir nun die Bedingungen in der Umgebung junger Sterne untersuchen und sie mit denen vergleichen, die für das frühe Sonnensystem ermittelt wurden. Mit Hilfe des Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der Europäischen Südsternwarte (ESO) hat ein internationales Forscherteam unter der Leitung von József Varga vom Konkoly-Observatorium in Budapest, Ungarn, genau das getan. Sie beobachteten die planetenbildende Scheibe des jungen Sterns HD 144432 in etwa 500 Lichtjahren Entfernung.

Bei der Untersuchung der Staubverteilung in der innersten Region der Scheibe entdeckten wir zum ersten Mal eine komplexe Struktur, bei der sich der Staub in einer solchen Umgebung in drei konzentrischen Ringen anhäuft“, sagt Roy van Boekel. Er ist Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg und Mitautor des zugrunde liegenden Forschungsartikels, der in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erscheint. „Diese Region entspricht der Zone, in der sich die Gesteinsplaneten im Sonnensystem gebildet haben“, fügt van Boekel hinzu. Im Vergleich zum Sonnensystem liegt der erste Ring um HD 144432 innerhalb der Umlaufbahn des Merkurs und der zweite in der Nähe der Marsbahn. Weiterhin befindet sich der dritte Ring ungefähr auf der Umlaufbahn des Jupiters.

Bisher haben Astronominnen und Astronomen solche Anordnungen vorrangig über größere Bereiche hinweg gefunden, die der Zone jenseits der Umlaufbahn des Saturn um die Sonne entsprechen. Ringsysteme in den Scheiben um junge Sterne deuten im Allgemeinen darauf hin, dass sich in den Lücken Planeten bilden, die auf ihrem Weg Staub und Gas aufnehmen. HD 144432 ist jedoch das erste Beispiel für ein solch komplexes Ringsystem nahe an seinem Wirtsstern. Es kommt in einer Zone mit einem hohen Staubanteil vor, dem Baustein von Gesteinsplaneten wie der Erde. Die Forschenden gehen davon aus, dass die Ringe auf das Vorhandensein von zwei Planeten hindeuten, die sich in den Lücken gebildet haben, und schätzen, dass ihre Masse in etwa der des Jupiters entspricht.

Die Bedingungen könnten dem frühen Sonnensystem ähnlich sein
Das Forschungsteam bestimmte die Staubzusammensetzung in der Scheibe bis zu einer Entfernung vom Zentralstern, die dem Abstand des Jupiters von der Sonne entspricht. Was sie dabei gefunden haben, ist den Wissenschaftlern, die die Erde und die Gesteinsplaneten im Sonnensystem untersuchen, sehr vertraut: verschiedene Silikate (Metall-Silizium-Sauerstoff-Verbindungen) und andere Mineralien, die in der Erdkruste und im Erdmantel vorkommen, sowie möglicherweise metallisches Eisen, wie es im Kern des Merkurs und der Erde vorhanden ist. Sollte sich dies bestätigen, wäre diese Studie die erste, die Eisen in einer planetenbildenden Scheibe entdeckt hat.

„Astronomen haben die Beobachtungen von staubigen Scheiben bisher mit einer Mischung aus Kohlenstoff- und Silikatstaub erklärt, Materialien, die wir fast überall im Universum sehen“, erläutert van Boekel. Aus chemischer Sicht ist jedoch eine Mischung aus Eisen und Silikat für die heißen, inneren Scheibenregionen plausibler. Und in der Tat liefert das chemische Modell, das Varga, der Hauptautor des zugrunde liegenden Forschungsartikels, auf die Daten angewandt hat, in diesem Fall bessere Ergebnisse, wenn Eisen anstelle von Kohlenstoff berücksichtigt wird.

Außerdem kann der in der Scheibe von HD 144432 beobachtete Staub am inneren Rand bis zu 1800 Kelvin (ca. 1500 Grad Celsius) heiß sein und weiter draußen bis zu moderaten 300 Kelvin (ca. 25 Grad Celsius). In den heißen Regionen in der Nähe des Sterns schmelzen Mineralien und Eisen und kondensieren erneut zu festen Verbindungen, oft als Kristalle. Die Kohlenstoffkörner wiederum würden die Hitze nicht überleben und stattdessen als Kohlenmonoxid- oder Kohlendioxidgas vorliegen. Dennoch könnte Kohlenstoff ein bedeutender Bestandteil der festen Partikel in der kalten äußeren Scheibe sein, die mit den Beobachtungen im Rahmen dieser Studie nicht aufgespürt werden können.

Eisenreicher und kohlenstoffarmer Staub würde auch gut zu den Bedingungen im Sonnensystem passen. Merkur und die Erde sind eisenreiche Planeten, während die Erde relativ wenig Kohlenstoff enthält. „Wir denken, dass die Scheibe von HD 144432 dem frühen Sonnensystem sehr ähnlich sein könnte, das die heutigen Gesteinsplaneten mit viel Eisen versorgt hat“, sagt van Boekel. „Wir vermuten, dass unsere Studie ein weiteres Beispiel dafür ist, dass die Zusammensetzung unseres Sonnensystems recht typisch zu sein scheint.“

Interferometrie löst winzige Details auf
Diese Ergebnisse waren nur mit außergewöhnlich hochauflösenden Beobachtungen möglich, wie sie das VLTI liefert. Durch die Kombination der vier 8,2-Meter-Teleskope des VLT am Paranal-Observatorium der ESO können sie Details so auflösen, als ob die Astronominnen und Astronomen ein Teleskop mit einem Hauptspiegel von 200 Metern Durchmesser einsetzen würden. Varga, van Boekel und ihre Mitarbeiter sammelten Daten mit drei Instrumenten, um eine breite Wellenlängenabdeckung von 1,6 bis 13 Mikrometern zu erreichen, was infrarotes Licht darstellt.

Das MPIA lieferte wichtige technische Komponenten für zwei Geräte, GRAVITY und das Multi AperTure mid-Infrared SpectroScopic Experiment (MATISSE). Eines der Hauptziele von MATISSE ist die Erforschung der Zonen von Scheiben um junge Sterne, in denen sich Gesteinsplaneten entwickeln können. „Indem wir die inneren Regionen protoplanetarer Scheiben um Sterne untersuchen, wollen wir den Ursprung der verschiedenen in der Scheibe enthaltenen Mineralien erforschen – Mineralien, die später die festen Bestandteile von Planeten wie der Erde bilden werden“, sagt Thomas Henning, Direktor des MPIA und einer der Projektleiter des MATISSE-Instruments.

Die Erstellung von Bildern mit einem Interferometer, wie wir sie von Einzelteleskopen gewohnt sind, ist jedoch nicht gerade einfach und sehr zeitaufwendig. Eine effizientere Nutzung der kostbaren Beobachtungszeit zur Entschlüsselung der Objektstruktur besteht darin, die kargen Daten mit Modellen von möglichen Konfigurationen zu vergleichen. Im Fall der Scheibe von HD 144432 gibt eine Form aus drei Ringen die Daten am besten wieder.

Wie häufig sind strukturreiche, eisenhaltige, planetenbildende Scheiben?
Neben dem Sonnensystem scheint HD 144432 ein weiteres Beispiel für die Entstehung von Planeten in einer eisenreichen Umgebung zu sein. Die Astronominnen und Astronomen werden sich jedoch nicht darauf beschränken. „Wir haben noch ein paar vielversprechende Kandidaten, die darauf warten, dass das VLTI sie genauer unter die Lupe nimmt“, erklärt van Boekel. Bei früheren Beobachtungen entdeckte das Team eine Reihe von Scheiben um junge Sterne, die auf Konfigurationen hindeuten, die es wert sind, genauer betrachtet zu werden. Mit den neuesten VLTI-Instrumenten werden sie schließlich deren detaillierte Struktur und chemische Zusammensetzung präzise ergründen. Letztendlich können die Forschenden vielleicht sogar klären, ob sich Planeten regelmäßig in eisenreichen Staubscheiben in der Nähe ihrer Muttersterne bilden.

Hintergrundinformationen
Die an dieser Studie beteiligten MPIA-Forscher sind Roy van Boekel, Marten Scheuck, Thomas Henning, Jacob W. Isbell, Ágnes Kóspál (auch HUN-REN Research Centre for Astronomy and Earth Sciences, Konkoly-Observatorium, Budapest, Ungarn [Konkoly]; CSFK, MTA Centre of Excellence, Budapest, Ungarn [CSFK]; ELTE Eötvös Loránd Universität, Budapest, Ungarn [ELTE]), Alessio Caratti o Garatti (auch Astronomisches Observatorium der INAF von Capodimonte, Neapel, Italien).

Weitere Autoren sind: J. Varga (Konkoly; CSFK; Sternwarte Leiden, Niederlande [Leiden]), L. B. F. M. Waters (Universität Radboud, Nijmegen, Niederlande; SRON, Leiden, Niederlande), M. Hogerheijde (Leiden; Universität Amsterdam, Niederlande [UVA]), A. Matter (Observatorium Côte d’Azur/CNRS, Nizza, Frankreich [OCA]), B. Lopez (OCA), K. Perraut (Univ. Grenoble Alpes/CNRS/IPAG, Frankreich [IPAG]), L. Chen (Konkoly; CSFK), D. Nadella (Leiden), S. Wolf (Universität Kiel, Deutschland [UK]), C. Dominik (UVA), P. Abraham (Konkoly; CSFK; ELTE), J.- C. Augereau (IPAG), P. Boley (OCA), G. Bourdarot (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Deutschland), F. Cruz-Saénz de Miera (Konkoly; CSFK; Universität Toulouse, Frankreich), W. C. Danchi (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA), V. Gámez Rosas (Leiden), K.-H. Hofmann (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Deutschland [MPIfR]), M. Houllé (OCA), W. Jaffe (Leiden), T. Juhász (Konkoly; CSFK; ELTE), V. Kecskeméthy (ELTE), J. Kobus (UK), E. Kokoulina (Universität Lüttich, Belgien; OCA), L. Labadie (Universität zu Köln, Deutschland), F. Lykou (Konkoly; CSFK), F. Millour (OCA), A. Moór (Konkoly; CSFK), N. Morujão (Universität Lissabon und Universität Porto, Portugal), E. Pantin (AIM, CEA/CNRS, Gif-sur-Yvette, Frankreich), D. Schertl (MPIfR), L. van Haastere (Leiden), G. Weigelt (MPIfR), J. Woillez (Europäische Südsternwarte, Garching, Deutschland), P. Woitke (Institut für Weltraumforschung, Österreichische Akademie der Wissenschaften, Graz, Österreich), MATISSE und GRAVITY Collaborations

Originalveröffentlichung
J. Varga, L. B. F. M. Waters, M. Hogerheijde, R. van Boekel et al.
Mid-infrared evidence for iron-rich dust in the multi-ringed inner disk of HD 144432
Astronomy & Astrophysics, 681, A47 (2024)
DOI: dx.doi.org/10.1051/0004-6361/202347535
https://arxiv.org/abs/2401.03437
pdf: https://arxiv.org/pdf/2401.03437

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• Planetenentstehung

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Quelle: MPE 26. Oktober 2023.

26. Oktober 2023 – Die Masse des Schwarzen Lochs stimmt perfekt mit der Messung überein, die 2020 mit dem Physik-Nobelpreis geehrt und die seitdem immer weiter verfeinert wurde. Die Schlussfolgerung: Die 4,3 Millionen Sonnenmassen befinden sich innerhalb eines Raums, der in die Venusbahn passen würde. Eine wahrlich abenteuerliche Massenkonzentration!

Im Zentrum unserer Milchstraße befindet sich ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 4,3 Millionen Sonnenmassen – das haben mehrere Teams in den vergangenen vier Jahrzehnten zweifelsfrei nachgewiesen. Im Jahr 2020 wurde diese Erkenntnis sogar mit dem Nobelpreis für Physik für MPE-Direktor Reinhard Genzel gewürdigt. Seitdem konzentriert sich die Forschung darauf, das galaktische Zentrum als Labor zu nutzen, um die Allgemeine Relativitätstheorie in dem sehr starken Gravitationsfeld in der Nähe dieses Schwarzen Lochs zu testen und seine Eigenschaften mit hoher Präzision zu bestimmen.

Das Team am MPE nutzte nun GRAVITY, das Nahinfrarot-Interferometer am Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der ESO, um die Emission in der Region um das Schwarze Loch genau zu beobachten und nach extrem hellen Ereignissen zu suchen: „Flares“ (englisch für „Aufleuchten“). Solche Flares treten ein- bis zweimal pro Tag auf und leuchten dabei so hell, dass man die Bewegung des umgebenden Gases verfolgen kann. Das Team analysierte Flares, die in den Jahren 2018, 2021 und 2022 beobachtet wurden und für die GRAVITY gleichzeitig Messungen der Position und der Polarisation lieferte.

Dieser kombinierte Datensatz ermöglichte es dem Team, die Masse des Schwarzen Lochs mit hoher Genauigkeit auf 4,297 Millionen Sonnenmassen zu bestimmen, eine starke und unabhängige Bestätigung früherer Messungen. Die neuen Daten zeigen auch, dass diese Masse innerhalb des Radius der Flares von etwa neun Gravitationsradien eingeschlossen sein muss, was kleiner ist als der Umlaufradius des Planeten Venus um die Sonne.

„Die Masse, die wir jetzt aus den Flares bei wenigen Gravitationsradien abgeleitet haben, ist kompatibel mit dem Wert, der aus den Bahnen von Sternen bei mehreren tausend Gravitationsradien gemessen wurde“, führt Diogo Ribeiro aus, der am MPE für die theoretische Modellierung verantwortlich war. „Das spricht für ein einziges Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße.“

Aus der Bewegung dieses kreisenden Gases kann das Team auch Informationen über die Entstehungsgeschichte der Strukturen im galaktischen Zentrum ableiten. Die Ausrichtung der Bahnen der Flares ist ählich der Ausrichtung einer stellaren Scheibe, die in einem Abstand von 100.000 Gravitationsradien beobachtet wurde; dies lässt auf einen physikalischen Zusammenhang schließen. „Es ist großartig zu sehen, wie sich das Verhalten der Flares wiederholt und ähnelt“, betont Antonia Drescher, die die polarimetrischen Messungen auswertete. „Alle zeigen eine Bewegung im Uhrzeigersinn, alle haben einen ähnlichen Radius und eine ähnliche Umlaufzeit. Das ist wirklich schön zu sehen.“

Starke Winde von den weiter entfernten Sternen treiben wahrscheinlich den Akkretionsstrom des Gases an, der den anfänglichen Drehimpuls auf Skalen in der Nähe des Ereignishorizonts herunterträgt. „Die Menge an Informationen aus der Polarisation war extrem ergiebig und wir lernen aus dem gemeinsamen Datensatz viel über die Physik in der Region des Galaktischen Zentrums“, fügt Ribeiro hinzu. Die Dynamik der Flares könnte sogar Informationen über den Spin des Schwarzen Lochs enthalten – eine bis heute offene Frage.

Originalveröffentlichung:
Polarimetry and astrometry of NIR flares as event horizon scale, dynamical probes for the mass of Sgr A*
GRAVITY Collaboration
A&A 677, L10 (2023)
doi.org/10.1051/0004-6361/202347416
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/09/aa47416-23/aa47416-23.html
pdf: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2023/09/aa47416-23.pdf

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• Schwarze Löcher

Der Beitrag Ultrakompakt: Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik 17. Mai 2022.

17. Mai 2022 – Beobachtungen haben zum ersten Mal gezeigt, dass sich ein Stern, der das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße umkreist, genauso bewegt, wie es die Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein vorhersagt. Seine Umlaufbahn hat die Form einer Rosette und nicht die einer Ellipse, wie es die Newton’sche Gravitationstheorie vorhersagt. Dieser Effekt, bekannt als Schwarzschild-Präzession, wurde noch nie für einen Stern um ein supermassereiches Schwarzes Loch gemessen. Diese künstlerische Darstellung veranschaulicht die Präzession der Sternenbahn, wobei der Effekt zur leichteren Veranschaulichung stark übertrieben ist.

Im Jahr 2018 beobachtete das GRAVITY-Experiment den Verlauf verschiedener Phänomene in der Nähe von Sagittarius A, (oder Sgr A) einem supermassereichen und daher gravitativ gefräßigen, unsichtbaren Objekt im Zentrum unserer Galaxie. Dank Eisenhauers technischer Innovationen fand das GRAVITY-Team heraus, dass die Bewegung von Sternen und Gas in der Nähe des galaktischen Zentrums mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmt, die mit der Existenz eines Schwarzen Lochs vereinbar sind. Eisenhauers Mentor und langjähriger Mitarbeiter Reinhard Genzel teilte sich den Nobelpreis für Physik 2020 mit Andrea Ghez und Roger Penrose für seine Beiträge zur Erforschung von Sagittarius A* (Sgr A*).

GRAVITY geht auf ein früheres Experiment zurück, bei dem Eisenhauer eine bahnbrechende Technologie für die abbildende Spektroskopie entwickelte – die Messung, wie Materie die Absorption und Emission von Licht beeinflusst. Das Instrument ist ein Teil von SINFONI, dem „Spectrograph for INtegral Field Observations in the Near Infrared“ am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte ESO auf dem Mount Paranal in Chile. Es beinhaltet eine adaptive Optik zur Korrektur der von der turbulenten Erdatmosphäre verursachten Bildunschärfe, das unter der Leitung von Henri Bonnet entwickelt wurde. Im Jahr 2003 begann SINFONI mit der Beobachtung von Sternen, die unter dem großen Gravitationseinfluss von Sgr A* ihre extrem schnellen, stark exzentrischen Bahnen ziehen.

Zwei Jahre später diskutierte die Gruppe deutscher und französischer Forscher um Eisenhauer und Genzel, Stefan Gillessen, Pierre Lena, Guy Perrin und Thibaut Paumard, die Möglichkeit, ein besonderes, zukünftiges Ereignis mit dem Stern S2 zu beobachten. Nachdem sie die genaue Umlaufbahn von S2 nach dem ersten Vorbeiflug im Jahr 2002 gemessen hatten, konnten sie berechnen, dass der Stern S2 dem galaktischen Zentrum im Jahr 2018 wieder am nächsten kommen würde – bei einer Entfernung von nur 17 Lichtstunden. Durch die Kombination aller vier 8-Meter-Teleskope am Paranal (durch einen Prozess, der Interferometrie genannt wird) würde das Experiment die tausendfache Verbesserung der Empfindlichkeit gegenüber früheren Interferometern erreichen, die notwendig ist, um die relativistischen Effekte nahe SgrA* zu messen.

„Dieses Projekt wurde von einigen als technisch unmöglich angesehen“, schrieb einer der Wissenschaftler, die Eisenhauer für den diesjährigen Gruber-Kosmologiepreis vorgeschlagen haben. Die Befürworter des Projekts argumentierten jedoch, dass, selbst wenn das Experiment seine Ziele nicht erreichen sollte, jeder technologische Fortschritt von allgemeinem Nutzen sein würde. Insbesondere Tim de Zeeuw und Andreas Kaufer von der Europäischen Südsternwarte unterstützten das kühne Projekt und das Team um Julien Woillez beim Upgrade des Interferometers. Eisenhauers Entwürfe revolutionierten in der Tat mehrere Arten von Instrumenten, darunter abbildende Detektoren, Lasermesstechnik und die gleichzeitige interferometrische Beobachtung von zwei Objekten.

Die GRAVITY-Kollaboration, bestehend aus dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, LESIA an der Pariser Sternwarte, IPAG an der Universität Grenoble, dem Max-Planck-Institut für Astronomie, der Universität Köln, dem Zentrum für Astrophysik und Gravitation in Portugal und der Europäischen Südsternwarte, stellte das Instrument gerade noch rechtzeitig fertig, und die ersten Ergebnisse können, wie ein vorschlagender Wissenschaftler schrieb, „nur als überwältigend und bahnbrechend für viele Bereiche der Astrophysik bezeichnet werden.“

Zu diesen Ergebnissen gehören: die präzise Messung der Effekte der allgemeinen Relativitätstheorie von Sgr A* auf S2, sowie die Beobachtungen von Gas, das sich in der Nähe der „letzten stabilen Umlaufbahn“ befindet – dem Punkt, wo es der Gravitationsanziehung von Sgr A* nicht mehr entgehen kann und für immer aus dem Blickfeld verschwindet. Zusammengenommen liefern diese Daten genügend Beweise, um die Gemeinschaft der Astronomen davon zu überzeugen, dass Sgr A* tatsächlich ein Schwarzes Loch ist.

Zu den weiteren bedeutenden Beiträgen von GRAVITY zur Astronomie gehören: Die Messung der Entfernung zwischen der Sonne und dem galaktischen Zentrum mit einer Genauigkeit, die zehnmal höher ist als bei früheren Messungen (andere Astronomen nutzen diese Kalibrierung als zuverlässigen ersten Schritt um die Entwicklung des Universums auf den größten Skalen nachzuverfolgen). Ein Test von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie unter Verwendung supermassereicher schwarzer Löcher mit der bisher höchsten Präzision.

Wie von den Unterstützern von GRAVITY erhofft, haben Eisenhauers technologische Innovationen – für die er den Gruber-Preis für Kosmologie 2022 erhält – die Astronomie verändert, und zwar über die Untersuchung von Sgr A* hinaus. Andere Astrophysiker haben bereits damit begonnen, die SINFONI- und GRAVITY-Instrumente einzusetzen, um entfernte Galaxien, schwarze Löcher in den Zentren naher Galaxien, und Planeten um Sterne in unserer eigenen Galaxie zu untersuchen.

GRAVITY wird derzeit mit einem neuen System der adaptiven Optik, Laserleitsternen und erweitertem Gesichtsfeld aufgerüstet. Dieses Projekt mit der Bezeichnung GRAVITY+ wird die optische Interferometrie schon bald auf die nächste Stufe heben und dann auch den extragalaktischen Himmel für Beobachtungen mit höchster Auflösung erschließen sowie immer schärfere Bilder für die Beobachtung von Exoplaneten liefern.

Die Entwicklung von SINFONI, GRAVITY und GRAVITY+ wurde und wird durch die großzügige Unterstützung der Max-Planck-Gesellschaft und der Max-Planck-Förderstiftung ermöglicht – einer unabhängigen, gemeinnützigen Organisation für private Förderer der Spitzenforschung in der Max-Planck-Gesellschaft.

Eisenhauer wird den mit 500.000 Dollar dotierten Preis sowie eine goldene Preisträgernadel bei einer Zeremonie am 2. August auf der XXXI. Generalversammlung der Internationalen Astronomischen Union in Busan, Korea, entgegennehmen. Zu früheren Ehrungen Eisenhauers gehören die Tycho-Brahe-Medaille der Europäischen Astronomischen Gesellschaft für seine Leitung der SINFONI- und GRAVITY-Instrumente, die Stern-Gerlach-Medaille der Deutschen Physikalischen Gesellschaft für seine Pionierarbeit auf dem Gebiet der hochauflösenden Infrarotastronomie und die Jackson-Gwilt-Medaille der Royal Astronomical Society für die Entwicklung astronomischer Instrumente. Er wurde zudem in die Französische Akademie der Wissenschaften gewählt.

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• Very Large Telescope (VLT) der ESO in Chile

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Quelle: ESON.

2. März 2022 – In einer heute veröffentlichten Arbeit haben sich diese beiden Teams zusammengeschlossen, um zu berichten, dass es in HR 6819 tatsächlich kein schwarzes Loch gibt, sondern dass es sich stattdessen um ein Zwei-Sterne-„Vampir“-System in einem seltenen und kurzlebigen Stadium seiner Entwicklung handelt.

Die ursprüngliche Studie über HR 6819 fand sowohl bei der Presse als auch bei Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen große Beachtung. Thomas Rivinius, ein in Chile ansässiger ESO-Astronom und Hauptautor der Studie, war nicht überrascht von der Reaktion der Fachwelt auf ihre Entdeckung des schwarzen Lochs. „Es ist nicht nur normal, sondern sollte auch so sein, dass Ergebnisse hinterfragt werden“, sagt er, „und ein Ergebnis, das Schlagzeilen macht, erst recht.“

Rivinius und seine Kollegen und Kolleginnen waren davon überzeugt, dass die beste Erklärung für die Daten, die sie mit dem 2,2-Meter-Teleskop der MPG/ESO gewonnen hatten, darin bestand, dass HR 6819 ein Dreifachsystem war, bei dem ein Stern alle 40 Tage ein schwarzes Loch umkreist und ein zweiter Stern in einer viel weiteren Umlaufbahn. Aber eine Studie unter der Leitung von Julia Bodensteiner, damals Doktorandin an der KU Leuven, Belgien, schlug eine andere Erklärung für dieselben Daten vor: HR 6819 könnte auch ein System mit nur zwei Sternen auf einer 40-tägigen Umlaufbahn sein und überhaupt kein schwarzes Loch aufweisen. Dieses alternative Szenario würde voraussetzen, dass einer der Sterne „abgetragen“ wurde, was bedeutet, dass er zu einem früheren Zeitpunkt einen großen Teil seiner Masse an den anderen Stern verloren hat.

„Wir hatten die Grenze der vorhandenen Daten erreicht, so dass wir eine andere Beobachtungsstrategie anwenden mussten, um zwischen den zwei von den beiden Teams vorgeschlagenen Szenarien zu entscheiden“, sagt die KU Leuven-Forscherin Abigail Frost, die die neue Studie leitete, die heute in Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde.

Um das Rätsel zu lösen, arbeiteten die beiden Teams zusammen, um neue, schärfere Daten von HR 6819 mit dem Very Large Telescope (VLT) und dem Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der ESO zu erhalten. „Das VLTI war die einzige Einrichtung, die uns die entscheidenden Daten liefern konnte, die wir brauchten, um zwischen den beiden Erklärungen zu unterscheiden“, sagt Dietrich Baade, Autor sowohl der ursprünglichen HR 6819-Studie als auch des neuen Artikels in Astronomy & Astrophysics. Da es keinen Sinn machte, dieselbe Beobachtung zweimal anzufordern, schlossen sich die beiden Teams zusammen und konnten so ihre Ressourcen und ihr Wissen bündeln, um die wahre Natur dieses Systems zu ergründen.

„Die Szenarien, nach denen wir suchten, waren ziemlich klar, sehr unterschiedlich und mit dem richtigen Instrument leicht zu unterscheiden“, sagt Rivinius. „Wir waren uns einig, dass es in dem System zwei Lichtquellen gibt. Die Frage war also, ob sie einander eng umkreisen, wie im Szenario des abgestreiften Sterns, oder weit voneinander entfernt sind, wie im Szenario des schwarzen Lochs.“

Um zwischen den beiden Vorschlägen zu unterscheiden, verwendeten die Astronomen und Astronominnen sowohl das GRAVITY-Instrument des VLTI als auch das Instrument Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) am VLT der ESO.

„MUSE bestätigte, dass es keinen hellen Begleiter in einer weiteren Umlaufbahn gab, während die hohe räumliche Auflösung von GRAVITY in der Lage war, zwei helle Quellen aufzulösen, die nur durch ein Drittel der Entfernung zwischen Erde und Sonne getrennt waren“, sagt Frost. „Diese Daten erwiesen sich als das letzte Teil des Puzzles und erlaubten uns die Schlussfolgerung, dass HR 6819 ein Doppelsternsystem ohne schwarzes Loch ist.“

„Unsere beste Interpretation bisher ist, dass wir dieses Doppelsternsystem in einem Moment erwischt haben, kurz nachdem einer der Sterne die Atmosphäre von seinem Begleitstern abgesaugt hatte. Dies ist ein häufiges Phänomen in engen Doppelsternsystemen, das in der Presse manchmal als »stellarer Vampirismus« bezeichnet wird“, erklärt Bodensteiner, der jetzt ein Fellow bei der ESO in Deutschland und ein Autor der neuen Studie ist. „Während der abgebende Stern einen Teil seines Materials verlor, begann der empfangende Stern, sich schneller zu drehen.“

„Es ist extrem schwierig, eine solche Phase nach dem Austausch zu erfassen, da sie so kurz ist“, fügt Frost hinzu. „Das macht unsere Ergebnisse für HR 6819 sehr aufregend, denn er ist ein perfekter Kandidat, um zu untersuchen, wie dieser Vampirismus die Entwicklung massereicher Sterne beeinflusst und damit auch die Entstehung der damit verbundenen Phänomene wie Gravitationswellen und heftige Supernovaexplosionen.“

Das neu gebildete gemeinsame Team von Leuven und ESO plant nun, HR 6819 mit dem GRAVITY-Instrument des VLTI genauer zu beobachten. Die Forschenden werden eine gemeinsame Studie über das System im Laufe der Zeit durchführen, um seine Entwicklung besser zu verstehen, seine Eigenschaften einzugrenzen und dieses Wissen zu nutzen, um mehr über andere Doppelsternsysteme zu erfahren.

Was die Suche nach schwarzen Löchern angeht, bleibt das Team optimistisch. „Stellare schwarze Löcher sind aufgrund ihrer Beschaffenheit nach wie vor sehr schwer zu finden“, sagt Rivinius. „Aber Schätzungen in Größenordnungen deuten darauf hin, dass es allein in der Milchstraße Dutzende bis Hunderte von Millionen schwarzer Löcher gibt“, fügt Baade hinzu. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis Astronomen oder Astronominnen sie entdecken.

Weitere Informationen
Diese Forschungsarbeit wurde in der Publikation „HR 6819 is a binary system with no black hole: Revisiting the source with infrared interferometry and optical integral field spectroscopy“ (DOI: 10.1051/0004-6361/202143004) in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erschienen.

Das Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert (Finanzierungsvereinbarung Nummer 772225: MULTIPLES; PI: Hugues Sana).

Das Team besteht aus A. J. Frost (Institut für Astronomie, KU Leuven, Belgien [KU Leuven]), J. Bodensteiner (Europäische Südsternwarte, Garching, Deutschland [ESO]), Th. Rivinius (Europäische Südsternwarte, Santiago, Chile [ESO Chile]), D. Baade (ESO), A. Mérand (ESO), F. Selman (ESO Chile), M. Abdul-Masih (ESO Chile), G. Banyard (KU Leuven), E. Bordier (KU Leuven, ESO Chile), K. Dsilva (KU Leuven), C. Hawcroft (KU Leuven), L. Mahy (Königliches Observatorium von Belgien, Brüssel, Belgien), M. Reggiani (KU Leuven), T. Shenar (Anton Pannekoek Institut für Astronomie, Universität Amsterdam, Niederlande), M. Cabezas (Astronomisches Institut, Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik, Prag, Tschechische Republik [ASCR]), P. Hadrava (ASCR), M. Heida (ESO), R. Klement (The CHARA Array of Georgia State University, Mount Wilson Observatory, Mount Wilson, USA) und H. Sana (KU Leuven).

Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt. Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope, VISTA, das im Infraroten arbeitet, und das VLT Survey Telescope für sichtbares Licht. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Forschungsarbeit
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2204/eso2204a.pdf

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• Schwarze Löcher

Der Beitrag System mit „nächstgelegenem schwarzen Loch“ enthält kein schwarzes Loch erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE).

14. Dezember 2021 – Mit Hilfe des GRAVITY-Instruments am Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile haben Astronomen einen noch nie zuvor gesehenen Stern in der Nähe des Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie entdeckt. Die tiefen Bilder mit extrem hoher Auflösung ermöglichten es dem Team unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik zudem, die Masse des Schwarzen Lochs so genau wie nie zuvor zu bestimmen. Die neuen Bilder zoomen in die Region um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie – 20-mal mehr, als dies ohne Interferometrie möglich war. Mit der genauen Vermessung der Bahnen der Sterne in unserem galaktischen Zentrum kann das Team möglicherweise sogar herausfinden, wie schnell das Schwarze Loch rotiert.

Wie kann man das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße erforschen? Ein Objekt, das man – per Definition – nicht sehen kann? Der Weg, den Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE), einschlug und der zum Physik-Nobelpreis 2020 geführt hat, besteht darin, Sterne auf engen Umlaufbahnen um das supermassereiche Schwarze Loch zu verfolgen. Die neuesten Ergebnisse seines Teams, die die drei Jahrzehnte andauernde Studie von Sternen in Umlaufbahnen um Sagittarius A* fortführen, werden heute in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Auf der Suche nach weiteren Sternen in der Nähe des Schwarzen Lochs hat das Team eine neue Analysetechnik entwickelt, um die bisher tiefsten Bilder unseres galaktischen Zentrums zu erhalten. „Das VLTI gibt uns eine unglaubliche räumliche Auflösung und mit den neuen Bildern sehen wir tiefer als je zuvor. Wir sind verblüfft von dem Detailreichtum und wie viel Aktivität und wie viele Sterne wir in der Nähe des Schwarzen Lochs sehen“, erklärt Julia Stadler, Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Astrophysik, die während ihrer Zeit am MPE die Analyse der Daten leitete, um Bilder vom galaktischen Zentrum zu erzeugen. Bemerkenswerterweise fand das Team den Stern S300, der zuvor noch nie gesehen worden war. Dies macht deutlich, wie leistungsfähig diese Methode ist, um sehr schwache Objekte in der Nähe von Sagittarius A* zu entdecken.

Bei der jüngsten Beobachtungsreihe, die zwischen März und Juli 2021 durchgeführt wurde, konzentrierte sich das Team auf eine genaue Vermessung der Umlaufbahnen der Sterne nahe dem Schwarzen Loch. Dazu gehört auch der Rekordstern S29, der sich dem Schwarzen Loch Ende Mai 2021 mit der atemberaubenden Geschwindigkeit von 8740 km/s näherte und es in einer Entfernung von 13 Milliarden Kilometern passierte, gerade einmal dem 90-fachen Abstand zwischen Sonne und Erde. Bisher wurde kein anderer Stern beobachtet, der so nahe oder so schnell am Schwarzen Loch vorbeifliegt.

„Wir haben jetzt die Möglichkeit, im galaktischen Zentrum Präzisionsmessungen durchzuführen, und es als Labor zu nutzen, um die Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie zu testen“, erklärt Stephan Gillessen, der das Herz unserer Milchstraße seit den 1990er Jahren mit verschiedenen Techniken beobachtet. „Es gibt etwa 50 Sterne mit bekannten Umlaufbahnen in der Nähe von Sagittarius A*, und wir haben bereits die gravitative Rotverschiebung und die Schwarzschild-Präzession gesehen, als der Stern S2 im Jahr 2018 sehr nahe an dem supermassereichen Schwarzen Loch vorbeizog. Aber es gibt noch weitere offene Fragen wie zum Beispiel: Wie massereich ist es genau? Rotiert es?“

In Kombination mit den früheren Daten des Teams bestätigen die neuen Beobachtungen, dass die Sterne genau den Bahnen folgen, die die Allgemeine Relativitätstheorie für Objekte vorhersagt, die sich um ein Schwarzes Loch bewegen, das 4,3 Millionen Mal die Masse der Sonne hat. Dies ist die bisher genaueste Bestimmung der Masse des zentralen Schwarzen Lochs in der Milchstraße mit einer Genauigkeit von etwa 0,25 %. Den Forschern gelang es außerdem, die Entfernung zu Sagittarius A* so genau wie nie zuvor zu messen: es ist 27 000 Lichtjahre weit weg.

Die Messungen und Bilder des Teams wurden durch GRAVITY ermöglicht, ein einzigartiges Instrument, das die Forscher für das VLTI der ESO entwickelt haben. GRAVITY kombiniert das Licht aller vier 8,2-Meter-Teleskope des Very Large Telescope (VLT) der ESO mit Hilfe der sogenannten Interferometrie. Die Technik ist komplex, „aber am Ende erhält man Bilder, die 20-mal schärfer sind als die der einzelnen VLT-Teleskope und die die Geheimnisse des galaktischen Zentrums enthüllen“, sagt Frank Eisenhauer vom MPE, der leitende Forscher bei GRAVITY.

Um die neuen detaillierten Bilder zu erhalten, verwendeten die Astronomen zudem eine moderne Methode des maschinellen Lernens, die sogenannte Informationsfeldtheorie. Sie erstellten ein Modell, wie die realen Quellen aussehen könnten, simulierten, wie GRAVITY sie sehen würde, und verglichen diese Simulation mit den tatsächlichen GRAVITY-Beobachtungen. Auf diese Weise konnten sie die Sterne in der Umgebung von Sagittarius A* mit einer beispiellosen Tiefe und Genauigkeit finden und verfolgen. Zusätzlich zu den GRAVITY-Beobachtungen verwendete das Team auch Daten von NACO und SINFONI, zwei früheren VLT-Instrumenten, sowie Messungen des Keck-Observatoriums und des Gemini-Teleskops von NOIRLab.

GRAVITY wird derzeit weiterentwickelt, um die Empfindlichkeit weiter zu erhöhen und schwächere Sterne noch näher am Schwarzen Loch zu entdecken. Das Ziel des Teams ist es, mit GRAVITY+ Sterne so nahe am Schwarzen Loch zu finden, dass deren Umlaufbahnen die Gravitationswirkung von der Rotation des Schwarzen Lochs spüren würden. Das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO, das derzeit in der chilenischen Atacama-Wüste gebaut wird, wird es dem Team außerdem ermöglichen, die Geschwindigkeit dieser Sterne in Blickrichtung zum galaktischen Zentrum mit sehr hoher Präzision zu messen. „GRAVITY+ und ELT zusammen werden uns in die Lage versetzen, herauszufinden, wie schnell sich das Schwarze Loch dreht“, stellt Eisenhauer fest. „Das hat bisher noch niemand geschafft.“

Originalveröffentlichungen
Die hier vorgestellten Studien wurden von der GRAVITY-Collaboration in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

„The mass distribution in the Galactic Centre from interferometric astrometry of multiple stellar orbits“
GRAVITY collaboration
doi:10.1051/0004-6361/202142465

„Deep images of the Galactic Center with GRAVITY“
GRAVITY collaboration
doi:10.1051/0004-6361/202142459

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• Sagittarius A / Milchstrassen-Zentrum

Der Beitrag MPE: GRAVITY zoomt auf Sterne rund um SgrA* erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE).

Durch das „Zusammenschalten“ der vier großen VLT-Teleskope ist es Astronomen der GRAVITY-Kollaboration gelungen, das schwache Leuchten eines Exoplaneten in der unmittelbaren Nähe seines Muttersterns direkt zu beobachten. Der Planet mit dem Namen „β Pictoris c“ ist der zweite Planet, der auf einer Umlaufbahn um seinen Mutterstern gefunden wurde. Ursprünglich wurde er entdeckt mittels der „Methode der Radialgeschwindigkeiten“, bei der die periodische Bewegung des Muttersterns aufgrund des ihn umlaufenden Planeten gemessen wird. β Pictoris c ist so nahe an seinem Mutterstern, dass selbst die besten Teleskope den Planeten bisher nicht direkt abbilden konnten.

„Dies ist die erste direkte Bestätigung eines Planeten, der mit der Radialgeschwindigkeitsmethode entdeckt wurde“, sagt Sylvestre Lacour, Leiter des ExoGRAVITY-Beobachtungsprogramms. Astronomen verwenden die Messungen der Radialgeschwindigkeit seit vielen Jahrzehnten und haben mit dieser Methode Hunderten von Exoplaneten aufgespürt. Aber nie zuvor waren die Astronomen in der Lage, eine direkte Beobachtung eines dieser Planeten zu erhalten. Dies war nur möglich, weil das GRAVITY-Instrument, das sich in einem Labor unter den vier VLT-Teleskopen befindet, sehr präzise ist. Es beobachtet das Licht des Muttersterns mit allen vier Teleskopen gleichzeitig und kombiniert sie zu einem virtuellen Teleskop, das die nötige Auflösung besitzt um β Pictoris c zu beobachten.

„Es ist erstaunlich, welche Detailgenauigkeit und Empfindlichkeit wir mit GRAVITY erreichen können“, staunt Frank Eisenhauer, der leitende Wissenschaftler des GRAVITY-Projekts am MPE. „Wir fangen gerade erst an, atemberaubende neue Welten zu erforschen, vom supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxie bis hin zu Planeten außerhalb des Sonnensystems.“

Der direkte Nachweis mit GRAVITY war jedoch nur möglich dank neuer Radialgeschwindigkeitsdaten, die die Bahnbewegung von β Pictoris c genau festlegen und in einer zweiten, ebenfalls heute veröffentlichten Arbeit vorgestellt wurden. Dies ermöglichte es dem Team, die erwartete Position des Planeten genau vorherzusagen, so dass GRAVITY in der Lage war, ihn zu finden.

β Pictoris c ist somit der erste Planet, der mit beiden Methoden, Radialgeschwindigkeitsmessungen und einer direkten Beobachtung, entdeckt und bestätigt wurde. Zusätzlich zum unabhängigen Nachweis des Exoplaneten können die Astronomen nun das Wissen aus diesen beiden bisher getrennten Verfahren kombinieren. „Das heißt, dass wir jetzt sowohl die Helligkeit als auch die Masse dieses Exoplaneten erhalten können“, erklärt Mathias Nowak, der Hauptautor der Veröffentlichung, in der die Entdeckung mit GRAVITY beschrieben wird. „Im Allgemeinen gilt: Je massereicher der Planet desto leuchtkräftiger.“

Im aktuellen Fall sind die Daten über die beiden Planeten jedoch etwas rätselhaft: β Pictoris c leuchtet sechsmal schwächer als sein größerer Bruder β Pictoris b. Dabei hat β Pictoris c die 8-fache Masse des Jupiters. Wie massereich ist also β Pictoris b? Radialgeschwindigkeitsdaten werden diese Frage beantworten können, aber es wird lange dauern, um genügend Daten zu sammeln: Eine volle Umlaufbahn des Planeten b um seinen Stern dauert 28 unserer Jahre!

„Bereits aus früheren Messungen, bei denen wir mit GRAVITY für andere Exoplaneten Spektren aufgenommen haben, konnten wir bestimmte Rückschlüsse auf die Entstehungsprozesse der Planeten ziehen“, fügt Paul Molliere hinzu, der als Postdoc-Wissenschaftler am MPIA die Spektren von Exoplaneten modelliert. „Aber diese Kombination aus Helligkeitsmessung und Massenbestimmung für β Pictoris c ist ein besonders wichtiger Schritt, um die Modelle der Planetenentstehung auf die Probe zu stellen.“ Weitere Daten könnte auch GRAVITY+ liefern, das Instrument der nächsten Generation, das sich bereits in der Entwicklung befindet.

Originalveröffentlichungen
1.
M. Nowak et al.
Direct confirmation of the radial-velocity planet beta Pic c
Astronomy & Astrophysics, 2 Oct 2020

2.
A.M. Lagrange et al.
Unveiling the beta Pictoris system, coupling high contrast imaging, interferometric, and radial velocity data
Astronomy & Astrophysics, 2 Oct 2020

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• Direkt beobachtete Exoplaneten

Der Beitrag 1. direkte Beobachtung des Exoplaneten β Pictoris c erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Andreas Weise.

A star is born… .
Lange vor dem Kinostart in Deutschland am 3. Oktober 2013 hatte der Weltraumfilm GRAVITY die raumfahrtbegeisterten Kinobesucher neugierig gemacht. Die vorab veröffentlichten Trailer zeigten überwältigende Szenen, die den Zuschauer in ihren Bann zogen. Auch wussten einige Rezensenten vor dem Kinostart schon genau, was wir zu sehen bekommen würden. Etwas Einmaliges!
Der Filmregisseur James Cameron soll über GRAVITY gesagt haben: „Der beste Weltraumfilm aller Zeiten!“ Nun, das ist ein Superlativ, das misstrauisch macht. Also habe ich mir den Film gleich nach seinem Erscheinen angesehen: In meinem kleinen Heimatkino, schon in 3D und auf Berlins größer Kinoleinwand, im IMAX im Sonycenter am Potsdamer Platz. Das Ergebnis war grandios, berauschend, überwältigend und ernüchternd zu gleich.

Die Story
Die Geschichte ist schnell erzählt und könnte auf dem berühmten Bierdeckel Platz finden: Zeit und Ort der Handlung: Das Jetzt im Weltraum mit dem technologischen Stand von heute. Bei einer Shuttle-Mission am Hubble-Teleskop werden die Raumfahrzeuge durch einen Trümmerregen, verursacht durch die Sprengung eines russischen Satelliten komplett zerstört. Einzige Überlebende sind der alte Raumfahrt-Hase Kowalsky (George Clooney) und die Missionsspezialistin Dr. Stone (Sandra Bullock). Beide schweben jetzt im All allein, nur durch die Sicherungsleine miteinander verbunden. Über die Zwischenstationen ISS, Sojus, und die chinesische Raumstation Tiangong mit dem Raumschiff Shenzhou gelangt schließlich Stone zurück auf die Erde. Unterwegs ist ihr der Begleiter verloren gegangen und alles, was im All so herum flog, ist zertrümmert. Über weite Strecken ist der Film damit fast ein Einpersonenstück. Die Geschichte ist zu geradlinig und ohne wirkliche dramatische Wendungen. Der Zuschauer weiß, das es trotz aller Pannen und Zerstörungen gut ausgehen muss, da sonst die dünne Story vorzeitig beendet wäre.

Die Schauspieler
Mit der Besetzung der Rolle von Stone durch Sandra Bullock ist ein großer Wurf gelungen. Bullock spielt Ihre Rolle als ums Überleben kämpfende Astronauten sehr überzeugend. Angst, Panik, Überlebenswille – all das kommt überzeugend herüber. Außerdem trägt sie den Film als One-Woman-Show über weite Strecken allein. Ob es für den Oscar reicht, wird sich zeigen.
Für den männlichen Part, die Rolle des altgedienten Weltraum-Hasen Kowalsky konnte Georg Clooney gewonnen werden. Auch hier ein Glücksfall. Clooney gelingt es, der sehr überzogen und klischeehaft aufgebauten Figur Kowalsky wenigstens etwas Charme abzugewinnen. Sei es beim Herumkurven wie eine Hummel um die Blume mit dem Jetpack im Weltraum, der Suche nach dem russischen Wodka oder seinen flachen Sprüchen, die selbst die Bodenstation langweilen. Auch hat er dauernd diese durchdringende Mischung zwischen Lächeln und Grinsen in seinem Gesicht. Für mich sah das Gesicht immer irgendwie wie Buzz Lightyear aus Toystory aus. Zu erwähnen wäre, das in der US-Version Ed Harris als die Stimme von Mission Control zu hören ist. Man erinnere sich an seine Rolle als Flugleiter Gene Kranz in Apollo 13.

Das Szenenbild
Im krassen Gegensatz zur dünnen Geschichte steht die bildnerische Umsetzung. Diese ist grandios und überwältigend. Hier werden alle technischen Möglichkeiten des 3D-Films bis an ihre Grenzen voll ausgereizt. Die beste Wirkung entfalten die Bilder auf einer wirklich großen Kinoleinwand. Das Wohnzimmerkino mit Blueray wird hier später nicht mithalten können. Die überwältigenden Bilder der Eröffnungsszene und der ersten 10 Minuten Film sind in ihrer Wirkung vergleichbar mit dem für damalige Verhältnisse geradezu umwerfenden Erdanblick aus der Umlaufbahn in Kubrick’s 2001 aus dem Jahre 1968. Nachdem das Inferno der Zerstörung durch den Trümmerregen losbricht, sind atemberaubende Kamerafahrten zu sehen. Die Kamera erfasst die Totale der beginnenden Zerstörung, folgt dann den wilden Rotationen von Stone auf dem Greifarm und fängt zum Schluss ihr Gesichtsfeld ein. Und das alles ohne Schnitt!
Überhaupt ist es manchmal unfassbar, wie die Schwerelosigkeitsszenen umgesetzt worden sind. Sei es im freien Raum oder in den jeweiligen Raumfahrzeugen. Bei den Möglichkeiten der Computeranimation und Bildüberblendung wurden alle Register gezogen. Kleinere Fehlerchen haben sich zwar eingeschlichen, Stones Haar liegt in der Schwerelosigkeit wie angeklebt, aber das fällt nicht weiter auf.

Die Kulissen …
… zeugen von eine absoluten Liebe zum Detail. Es macht hier eine riesige Freude, mit den Augen auf Entdeckungsreise zu gehen. Es ist eigentlich fast alles da. So erinnert das Innere der russischen Schleuse stark an Bilder aus der alten Raumstation MIR und die Steuerhebel der Sojus haben sogar die Handballenaufleger, um nur zwei Beispiele zu nennen. Der Wiedererkennungswert ist auf alle Fälle gegeben. Kleinere konstruktive Änderungen, die aus dramaturgischen Gründen notwendig sind, übersieht der Betrachter, wenn er sich nicht gerade im Detail der Sojus-Konstruktion auskennt. Ob es eine fachlich kompetente Unterstützung, zum Beispiel durch die NASA oder Roskosmos gab, bleibt anzuzweifeln. Periodisch erlebt man im Laufe des Films eine Orgie der Zerstörung: Bunt, schrill und grandios in Szene gesetzt. Die Lautlosigkeit im All wird durch entsprechend aufpeitschende Filmmusik kompensiert. Man kann sich diesen Bildern der Zerstörung einfach nicht entziehen. Warum muss eigentlich in fast jedem US-Film, der an der Kinokasse Erfolg haben will, etwas vernichtet werden? Nun, diese Frage werde ich hier nicht klären können.

Als Fazit bleibt …
… eine extrem dünne Story, gegen die eine Sandra Bullock verbissen ankämpft. Eine (Fast-) Nebenrolle von George Clooney, der dramaturgisch aber auch nichts verbessert. Dagegen ein überwältigendes Szenenbild, an dem man sich einfach nicht satt sehen kann. Und das natürlich in 3D! Der Zuschauer hat zwei verschiedene Seiten einer Medaille vor sich und muss nun entscheiden, welche er nach oben dreht. Zweifellos wird das jeder irgendwie anders entscheiden.

Und der Sinn?
Jeder Film sollte einen Sinn haben (außer Geld einzuspielen). Aber welchen Sinn kann dieser Film ergeben? Was ist nun seine Aussage an das Publikum? Große Raumfahrtfilme wie 2001, 2010, Verschollen im Weltraum oder Apollo 13 hatten eindeutige Aussagen.
Man könnte es sich einfach machen, und sagen: „Bei GRAVITY: Gar keinen!“ Er ist ein Bombardement von tollen 3D-Bildern und rasanten Kamerafahrten. Wortwörtlich genommen also ein sinnloser Film?
Vielleicht.

Versucht man das Ganze aus Sicht des US-amerikanischen Publikums zu betrachten, so könnte man auf ganz andere Gedanken kommen. GRAVITY zeigt nichts anderes, als das Ende der bemannten Raumfahrt. All die investierten Milliarden Steuergelder der letzten Jahrzehnte in Shuttle, Hubble und ISS sind in Trümmern aufgegangen. Der Traum von der US-amerikanischen Supermacht im All ist dahin. Und Schuld daran sind, wie klischeehaft, die Russen mit ihrem stümperhaften Abschießen eines Satelliten. Da fragt man sich, warum es nicht gleich eine nordkoreanische Rakete war, die einen indischen Militärsatelliten getroffen hat.

Dass die USA sich selbst ihrer Spitzenerrungenschaften beraubt haben, wird verdrängt. Die Einstellung des Shuttle-Programms, damit die nicht mehr mögliche Erreichbarkeit von Hubble, die Demütigung, bei den Russen per Anhalter zur ISS mit fliegen zu müssen, sind hausgemacht. Ja selbst die Chinesen können jetzt allein bemannt ins All gelangen. Aber es soll nicht der mangelnde Wille der Politik oder der fehlende visionäre Blick sein, die dazu führten, dass die Vereinigten Staaten von Amerika sich ihres bemannten Weltraumzugang beraubt haben.
Es ist ein „höheres Ereignis“, was schlussfolgern lässt: Im Weltraum ist kein Leben möglich! Also keine bemannte Raumfahrt! Und alles wird wie beim Jüngsten Gericht in Trümmer gelegt. Der Film ist für alle Kreise in den USA Oberwasser, die meinen, aus Ermangelung an potentiellen Gegnern wie im Kalten Krieg sei es sowieso Unfug, sich mit bemannter Raumfahrt, Marsmenschensuche und ähnlichem zu beschäftigen. Und dafür setzt GRAVITY den Schlusspunkt.

Und was bringt der Film für die deutsche Raumfahrt-Szene?
GRAVITY ist keine Werbung oder gar eine Förderung des Raumfahrtgedankens. Kinder und Jugendliche werden nach Ansicht dieses Films nicht spontan überlegen, ob sie Astronaut werden. Insofern ist der Film kontraproduktiv.
Aber ich möchte, nicht ganz ohne Augenzwinkern, diesem brillant in Szene gesetzten Streifen doch etwas lehrreiches abgewinnen. Ich rufe alle raumfahrtbegeisterten Lehrer für Naturwissenschaften auf, sich mit Ihren Schülern den Film genau anzusehen und im Unterricht zu fragen: „Wäre das möglich?“. Wo verlaufen die Bahnen von ISS und Hubble wirklich? Funktioniert ein Feuerlöscher im All? Was trägt man für Anziehsachen im Raumanzug? Hat man nicht wenigstens Socken an? Kann beim Wiedereintritt der Landekapsel und entsprechender Abbremsung ein Kugelschreiber schwerelos durch das Bild schweben?
Es gibt ja so viel schöne und liebevoll in Szene gesetzte Ungereimtheiten zu entdecken! Und dabei unterstelle ich nicht, unbedingt nach dem berühmten Haar in der Suppe suchen zu müssen. Die Diskussion ist jedenfalls bereits im Gange. Nicht nur unter den Raumfahrt-Fans. Auch ESA-Astronautin Samantha Cristoforetti und Ex-Astronaut Prof. Ulrich Walter haben sich zum Realitätsgehalt geäußert. Es lohnt sich bestimmt!

Die mögliche Rettung:
Es gäbe eine Möglichkeit, alle Schwächen des Filmes mit einem Schlag zu beseitigen. Dazu müssten nur ganze 2 Minuten zusätzlich gedreht werden. Vielleicht erleben wir das noch in einer späteren Version. Ich könnte mit das so vorstellen: In der Schlussszene bricht Stone auf der Erde zusammen. Das Bild wird verschwommen, sie wird ohnmächtig. Von Ferne hört sie die Stimme von Kowalsky: „Dr. Stone. Hören Sie mich? Dr. Stone! Aufwachen! Sie sind an der Reihe. …“ Stone schlägt die Augen auf. Sie befindet sich im Ausbildungszentrum der NASA in Houston und soll gleich in das Wasserbecken zu einem Schwerelosigkeitstraining an einem ISS-Modell steigen. Die Erkenntnis reift: Es war nur ein Traum… . Ein Alptraum… .

Bleibt zum Schluss nur noch eine Frage:
Wann erscheint die DVD oder die Blueray?

Andreas Weise

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