Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 16. Juli 2024.

16. Juli 2024 – Ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik, des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des National Radio Astronomy Observatory hat zehn schnell rotierende Neutronensterne im Kugelsternhaufen Terzan 5 entdeckt. Viele von ihnen befinden sich in ungewöhnlichen und seltenen Doppelsternsystemen, darunter möglicherweise ein rekordverdächtiger Doppelneutronenstern, ein Pulsar in einer extrem elliptischen Umlaufbahn und mehrere „Spinnensysteme“, in denen die Neutronensterne ihre Begleiter verdampfen. Diese Funde in den Daten des MeerKAT-Radioteleskops erhöhen die Anzahl der in diesem sehr dichten Sternhaufen bekannten Millisekunden-Pulsare um mehr als ein Viertel auf insgesamt 49. Das Team hofft, Pulsare in potenziell noch extremeren Doppelsternsystemen zu entdecken. Dazu sollen alle mit MeerKAT von Terzan 5 aufgezeichneten Daten durch Nutzung der enormen Rechenleistung des am MPI für Gravitationsphysik durchgeführten verteilten Rechenprojekts Einstein@Home auf weitere Pulsare durchsucht werden.

„Wir wissen, dass Kugelsternhaufen wie Terzan 5 viele schnell rotierende Neutronensterne beherbergen, und wir wissen auch, dass frühere Beobachtungen dieses Haufens wahrscheinlich einige übersehen haben. Trotzdem haben wir uns sehr gefreut, zehn bisher unbekannte Millisekunden-Pulsare zu entdecken, darunter einige in ungewöhnlichen und extremen Doppelsternsystemen“, sagt Prajwal Voraganti Padmanabh, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover. „Die Kombination von hochempfindlichen Beobachtungen mit MeerKAT, Archivdaten des Green-Bank-Teleskops aus fast zwei Jahrzehnten und cleveren und effizienten Datenanalysemethoden haben diese Entdeckungen und ihre vollständige Charakterisierung ermöglicht.“

Padmanabh ist Erstautor einer Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde. Er begann seine Forschungsarbeit an Pulsaren während seiner Tätigkeit am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn.

Neutronensterne sind kompakte Überreste von Supernova-Explosionen. Sie bestehen aus exotischer, extrem dichter Materie, sind schwerer als unsere Sonne und haben einen Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern. Aufgrund ihrer starken Magnetfelder und schnellen Rotation senden sie wie ein kosmischer Leuchtturm gebündelte Radiowellen aus. Wenn die Rotation diese Strahlenbündel regelmäßig auf die Erde richtet, wird der Neutronenstern als pulsierende Radioquelle – als Radiopulsar – sichtbar. Einige dieser Radiopulsare sammeln in Doppelsternsystemen von ihrem Begleiter Materie ein, die sie auf Rotationsperioden von wenigen Millisekunden beschleunigt. Sie werden als Millisekundenpulsare bezeichnet.

Der Kugelsternhaufen Terzan 5 ist einer der Orte mit der höchsten Sternendichte in unserer Milchstraße. In seinem Kernbereich, wo diese Dichte millionenfach höher ist als in der Umgebung unserer Sonne, treffen sich die Sterne und interagieren viel häufiger als anderswo. Dies macht ihn zu einer sehr effizienten „Fabrik“ für Pulsare in außergewöhnlichen Doppelsternen. Vor dieser Studie waren bereits 39 Pulsare in Terzan 5 bekannt; nun kamen zehn weitere hinzu.

Die Forscherinnen und Forscher machten ihre Entdeckungen in Daten des MeerKAT-Radioteleskops. MeerKAT ist eine Anlage von 64 Antennen in der südafrikanischen Karoo mit einer beispiellosen Empfindlichkeit für Quellen am Südhimmel. Im Rahmen des „TRansients and Pulsars using MeerKAT (TRAPUM) Large Survey Project“ beobachtete das Team Terzan 5 zweimal für mehrere Stunden mit jeweils 56 MeerKAT-Antennen. Die Hardware für TRAPUM wurde vom MPIfR finanziert, entworfen und installiert.

„Mittels spezieller Hardware und Software haben wir die Daten der 56 einzelnen MeerKAT-Antennen zu einem virtuellen Teleskop kombiniert, das gleichzeitig fast 300 eng beieinander liegende Himmelspositionen im Bereich von Terzan 5 beobachtet hat“, so Dr. Padmanabh. „Das führt natürlich dazu, dass wir viel mehr Daten auswerten müssen als bei Beobachtungen mit einem einzelnen Teleskop. Aber es hilft uns auch, die Position jedes neuen Pulsars viel genauer zu bestimmen. Das ist bei Einzelteleskopen normalerweise der schwierige Teil, der Monate an zusätzlichen Beobachtungen erfordert.“

Das Team bereitete die Rohdaten vor und suchte dann an den 45 Positionen, die den Zentralbereich von Terzan 5 abdecken, nach Pulsaren. Ihr Arbeitspferd: der Großrechner Atlas am AEI Hannover, der rund 99.000 logische CPU-Kerne in fast 3.200 Servern sowie 400 Grafikkarten mit fast einer Million Kernen für die Datenanalyse bereitstellte. Mit dieser Suche konnten zehn neue Millisekunden-Pulsare aufgespürt werden.

Für jeden in den MeerKAT-Daten an einer genau definierten Himmelsposition gefundenen Pulsar wurde auf die Archivdaten des Green-Bank-Teleskops zurückgegriffen, um zu überprüfen, ob die Entdeckung dort bestätigt werden konnte. „Ohne das Archiv des Green-Bank-Teleskops wären wir nicht in der Lage gewesen, diese Pulsare zu charakterisieren und ihre Astrophysik zu verstehen“, sagt Scott Ransom, Astronom am National Radio Astronomy Observatory (NRAO). Dadurch war man in der Lage, für alle Entdeckungen sogenannte Timing-Modelle zu erstellen. Diese mathematischen Beschreibungen sagen die Ankunftszeit jedes einzelnen der mehreren hundert Milliarden Pulse über die gesamten 19 Jahre Beobachtungszeit präzise voraus.

Um diese Genauigkeit zu erreichen, müssen die Timing-Modelle viele astrophysikalische Eigenschaften berücksichtigen, die die Doppelsysteme mit Pulsaren beschreiben, einschließlich relativistischer Effekte, die sich aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ergeben. Das ermöglichte es den Forschern, die Neutronensterne, ihre Umlaufbahnen, ihre Begleiter und viele andere Eigenschaften genau zu untersuchen und zu überwachen.

„Alle zehn neu entdeckten Pulsare sind ungewöhnlich und besonders und helfen uns, Kugelsternhaufen und Neutronensterne besser zu verstehen und die allgemeine Relativitätstheorie zu testen. Aber einige von ihnen sind selbst in dieser Gruppe selten und speziell“, sagt Paulo Freire, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“ am MPIfR. „Diese Systeme sind nur die jüngsten Beispiele für die wunderbaren, exotischen Sternsysteme, die wir mit MeerKAT in diesen dichten Kugelsternhaufen gefunden haben. Zusammen mit jüngsten Beispielen wie dem Objekt NGC 1851E, das das erste Pulsar-Schwarzes-Loch-System darstellen könnte, zeigen uns die Ergebnisse, dass Kugelsternhaufen eine Goldmine voller Möglichkeiten darstellen.“

Vivek Venkatraman Krishnan vom MPIfR ist Mitautor der vorliegenden Arbeit. Er sucht im Rahmen des ERC Research Grants COMPACT („Understanding gravity using a comprehensive search for fast-spinning pulsars and compact binaries“) ebenfalls nach binären Pulsaren in Kugelsternhaufen. „Mit COMPACT werden wir ein maßgeschneidertes Suchsystem für Pulsare entwickeln und einsetzen, um noch extremere Versionen dieser Doppelsterne in Kugelsternhaufen zu entdecken“, sagt er.

Eine der Entdeckungen ist ein Doppelsternsystem, das möglicherweise aus zwei Neutronensternen besteht. Diese Doppelneutronensterne sind sehr selten – gerade einmal 20 von mehr als 3600 bekannten Pulsaren gehören zu dieser besonderen Spezies. Sollten zukünftige Beobachtungen diesen Verdacht bestätigen, wäre das Doppelsystem auch ein Rekordbrecher mit dem am schnellsten rotierenden Pulsar und der längsten Umlaufzeit solcher Objekte. Andererseits könnte es sich bei diesem System auch um einen massereichen Pulsar in Begleitung eines Weißen Zwergs handeln. Ein schwerer Pulsar könnte Aufschluss über die innere Zusammensetzung von Neutronensternen geben.

Die extrem elliptische Umlaufbahn eines anderen neuen Pulsars deutet auf eine Reihe von engen Begegnungen mit anderen Sternen in seiner Vergangenheit hin. Wenn im Gedränge im Zentrum von Terzan 5 Sterne an einem Doppelsternsystem vorbeiziehen, kann ihre Schwerkraft dessen Bahnen stören und sogar seine Komponenten herausschleudern oder deren Plätze einnehmen.

Nachdem das Team die Zahl der bekannten Pulsare in Terzan 5 schon um mehr als ein Viertel gesteigert hat, plant es bereits, weitere zu finden. Die Suche wird erweitert auf Pulsare in Doppelsystemen, deren Umlaufzeiten deutlich kürzer sind als die der bisher entdeckten. Die Forscher beabsichtigen, mit der Hilfe des verteilten freiwilligen Computerprojekts Einstein@Home alle mit MeerKAT gewonnenen Daten von Terzan 5 zu analysieren. Das Projekt, das von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am AEI Hannover geleitet wird, hat bereits mehr als 90 neue Neutronensterne entdeckt. Mit MeerKAT soll der Kugelsternhaufen Terzan 5 auch bei höheren Radiofrequenzen beobachtet werden, was die Chancen auf neue Entdeckungen weiter erhöhen dürfte.

„Nach allem, was wir über Terzan 5 wissen, erwarten wir, dass er noch viele weitere extreme Doppelsternsysteme beherbergt, von denen jedes ein potenzielles Labor für die Überprüfung der Einsteinschen Relativitätstheorie ist“, schließt Prajwal Voraganti Padmanabh. „Wer weiß, vielleicht ist das nächste, was wir in diesem erstaunlichen Kugelsternhaufen finden, etwas so Exotisches wie ein Paar Millisekunden-Pulsare oder ein Millisekunden-Pulsar, der ein Schwarzes Loch umkreist?“

Hintergrundinformation
Das vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) betriebene MeerKAT ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des SKA-Projekts in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst durch eine zusätzliche Anzahl von Parabolantennen zum „MeerKAT+“ erweitert. Dieses wird später schrittweise in das SKAO-Teleskop für einen mittleren Frequenzbereich (SKA-MID) integriert, dessen Bau bereits begonnen hat und bis 2028 andauern wird. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen von MeerKAT+ haben bereits 2023 während der Testphase des Teleskops begonnen.

TRAPUM (TRAnsients and PUlsars with MeerKAT) ist eines der Large Survey Proposals, die mit dem MeerKAT-Teleskop durchgeführt werden. Es handelt sich um ein internationales Kollaborationsprojekt, das von der Universität Manchester und dem MPIfR geleitet wird, und an dem Institutionen wie das INAF, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) und das South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) beteiligt sind.

Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von Associated Universities, Inc. Das Green Bank Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, die im Rahmen eines Kooperationsabkommens von Associated Universities, Inc. betrieben wird.

Autoren der Veröffentlichung sind P. V. Padmanabh, S. M. Ransom, P. C. C. Freire, A. Ridolfi, J. D. Taylor, C. Choza, C. J. Clark, F. Abbate, M. Bailes, E. D. Barr, S. Buchner, M. Burgay, M. E. DeCesar, W. Chen, A. Corongiu, D. J. Champion, A. Dutta, M. Geyer, J. W. T. Hessels, M. Kramer, A. Possenti, I. H. Stairs, B. W. Stappers, V. Venkatraman Krishnan, L. Vleeschower und L. Zhang. Paulo Freire, Ewan Barr, Weiwei Chen, David Champion, Arunima Dutta, Michael Kramer und Vivek Venkatraman Krishnan sind Mitarbeiter am MPIfR. Der Erstautor, Prajwal Voraganti Padmanabh, sowie Alessandro Ridolfi und Federico Abbate sind ebenfalls mit dem MPIfR affiliiert.

Originalveröffentlichung
Discovery and timing of ten new millisecond pulsars in the globular cluster Terzan 5
P. V. Padmanabh et al., Astronomy & Astrophysics (A&A), Volume 686, A166 (Juni 2024)
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/06/aa49303-24/aa49303-24.html

Discovery and timing of ten new millisecond pulsars in the globular cluster Terzan 5
P. V. Padmanabh et al., arXiv Preprint
https://arxiv.org/abs/2403.17799

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Ein Beitrag von Frank Rinas. Quelle: NRAO, AUI.

Am Ostrand von West Virginia (USA) in Pocahontas County findet man eines der weltweit bedeutendsten Observatorien. Wenige Kilometer von dem recht übersichtlichen Ort Green Bank befindet sich das Green Bank Observatory, oder auch GBO abgekürzt. Hierbei handelt es sich um ein hochmodernes Observatorium mit einer größeren Auswahl an Radioteleskopen, die stets für aktuelle Forschungszwecke genutzt werden. Neben dem weltweit größten vollbeweglichen Radioteleskop mit dem Namen Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) und einem Antennenflächendurchmesser von 100 mal 110 Metern, ist hier auch das größte äquatorial montierte Radioteleskop mit 43 Metern beheimatet. Zusammen mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) untersucht man unter Anderem mit letzterem die Turbulenzen in der Ionosphäre unseres Planeten. Des Weiteren gibt es noch ein 14-Meter-Radioteleskop, welches zum Beispiel zur Zeit als Spektrometer für die Untersuchung von Radiostörungen durch erhöhte Sonnenaktivität eingesetzt wird.

Neben den bisher genannten gibt es noch Radioteleskope mit Durchmessern von 12-26 Metern, die zu Test- oder Weiterbildungszwecken für Universitäten und andere Einrichtungen genutzt werden. Das GBO arbeitet an vielen technischen Forschungsbereichen und an verschiedensten Programmentwicklungen mit, die Bereiche wie digitale, mechanische, strukturelle Rechen- und Softwareentwicklung abdecken. Das GBO dient zudem noch als Einrichtung für viele universitäre oder schulische Projekte, sowie als Ausbildungsort für Studenten und Lehrer.

Im Jahr 1961 fand in Green Bank eine SETI-Konferenz statt, auf der die Drake-Gleichung bekannt wurde, welche von Frank Drake erstellt wurde und zur Abschätzung der Anzahl der technischen und intelligenten Zivilisationen in der Milchstraße dienen sollte. Mit knapp 50.000 Besuchern pro Jahr ist das GBO aber auch ein beliebtes Ausflugsziel für Touristen und bietet eben auch aus diesem Grund ein informatives Besucherzentrum, sowie Bustouren durch das Observatoriumsgelände an. Um das Observatorium herum befindet sich die sogenannte „National Radio Quiet Zone“ (NRQZ), welche eine Fläche von knapp 33.600 km² einschließt. Diese wurde eingerichtet um die Forschungsarbeiten der Radioquellen möglichst wenig zu stören. Beim Aufstellen von Sendeanlagen bedarf es in diesem Gebiet der Absprache mit dem GBO.

Weltweit einzigartig – das Robert C. Byrd Green Bank Teleskop (GBT)

Das mit Abstand wichtigste Radioteleskop des Green-Bank-Observatoriums ist ohne Frage das Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT). Dieses wurde am 2. August 2000 in Betrieb genommen und löste nach 29 Jahren das sich in Deutschland befindende, bis dahin größte vollbewegliche Radioteleskop in Effelsberg, ab. Die Antenne des GBT hat einen Durchmesser von 100 x 110 Meter und eine Fläche von ungefähr 7.854 m². Der nutzbare Frequenzbereich liegt bei 100 MHz bis 116 GHz (3 Meter bis 2,6 Millimeter Wellenlänge). Vergleichen wir dies nun einfach mal mit dem Radioteleskop Effelsberg. So hat dieses einen Durchmesser von 100 x 100 Meter, eine Fläche von 7.850 m² und bietet einen Frequenzbereich von 610 MHz bis 86 GHz (Wellenlänge 49 Zentimeter bis 3,5 Millimeter). Das Robert C. Byrd Green Bank Telescope hat mit seiner Beweglichkeit und seinem Standort Zugriff auf knapp 85% der Himmelsfläche und wird aus diesem Grund auch als Weitwinkelergänzung zu ALMA und ELVA verwendet. Eine Verfolgung von Objekten über einen längeren Zeitraum ist so problemlos möglich. Zudem ist es mit etwas mehr als 2000 präzise einstellbaren Aluminimum-Paneelen ausgestattet, was eine hohe Präzisionsleistung ermöglicht. Die tragende Konstruktion unter der Antennenfläche besteht aus 13.000 Stahlelementen und das gesamte Radioteleskop hat eine Masse von knapp 7.711 Tonnen und eine Gesamthöhe von circa 148 Metern.

Besondere Eigenschaften und Bauweisen des GBT

Das GBT weist einige Besonderheiten auf, welche die präzise und vielseitig verwendbare Qualität erst ermöglichen. Mit drei Besonderheiten wollen wir uns nun einmal kurz befassen:

Beim ersten Blick von außen auf das Teleskop, fällt sofort die Konstruktion der Antenne auf. Bei den anderen Radioteleskopen finden wir die Empfängermodule mittig über der Antennenfläche, beziehungsweise der Fokalpunkt befindet sich zentral. Dabei wird durch die Halterungen des Empfängers, meist drei bis vier Stahlträger (manche haben auch nur einen oder zwei Träger zentral), das Sammelvermögen der Antennen zumindest etwas beeinflusst, also beschränkt. Beim GBT hat man dies anders gelöst, denn hier befindet sich der Empfängersensor und Fokalpunkt am Randbereich der Fläche, montiert an eine haltende Stahlkonstruktion die sich dementsprechend mit der Antenne ausrichten kann und das Aufnahmevermögen der Antennenfläche nur minimal reduziert im Vergleich zu den anderen Konstruktionen.

Eine weitere besonders wichtige Eigenschaft ist die präzise Einstellbarkeit der einzelnen Elemente der Antennenfläche. Am Rand der Fläche befinden sich knapp 2.200 Kolbenelemente, welche jeweils einzeln bedient werden können. Diese sorgen dann für eine individuelle und äußerst präzise Verstellung der Paneele. Mit Hilfe dieser Technik wird eine Genauigkeit von bis zu 0,1 Millimeter erreicht, was man durchaus als äußerst genau bezeichnen kann. Dementsprechend vielseitig sind die Einsatzmöglichkeiten des GBT. Zudem ergibt sich daraus eine vergleichsweise hohe Genauigkeit bei den Messergebnissen. Für eine präzise Einstellung sorgen die Mitarbeiter in einem eigens für die Kolbenelemente vorhandenen Kontrollzentrum, wo jeder Kolben individuell eingestellt werden kann.

Ohne Frage ist auch die breite Frequenzabdeckung des GBT ein Faktor der weltweiten Wichtigkeit dieses Radioteleskops. Denn wie eingangs des Artikels zum GBT bereits benannt, liegt dieser bei 100 MHz bis zu 116 GHz. Somit bietet das GBT die Basis für verschiedenste Arten von Messungen und damit die Möglichkeit für vielfältige Forschungsarbeiten in verschiedensten wissenschaftlichen Bereichen. Der Empfängerraum befindet sich auf knapp 137 Metern Höhe und auf diesem befinden sich dann die sogenannten Empfängerhörner. Die Frequenzabdeckung wird dabei durch 9 Empfänger erreicht. Im Dach des Empfängerraums befindet sich eine Art Revolver, mit dem man je nach Bedarf innerhalb weniger Minuten von Empfänger zu Empfänger wechseln kann. Ein besonderer Empfänger ist zum Beispiel der Q-Band-Empfänger. Dieser arbeitet auf einer 50-GHz-Frequenz und besitzt vier Hörner, wodurch gleichzeitig vier Punkte am Himmel untersucht werden können. Auch in diesem Bereich wird ständig in Zusammenarbeit mit Universitätslaboren an Neuentwicklungen und Verbesserungen gearbeitet.

Verwendung, Ergebnisse und Kooperationsprojekte

Durch die vielfältigen Möglichkeiten ist das GBT natürlich auch wichtiger Ausgangspunkt für viele wissenschaftliche Entdeckungen oder eben allgemein Forschungsprojekten. Des Öfteren erfolgt auch eine Zusammenarbeit mit anderen Radioteleskopen in Form von Kooperationsprojekten. Das GBT hatte und hat einen wichtigen Anteil bei der Erforschung von Dunkler Energie, Pulsaren, physikalischen Konstanten, Galaxienformationen, Entstehung und Entwicklung von Galaxienhaufen, Schwarzen Löchern, Sternformationen, Studien unseres Sonnensystems sowie wichtigen Ergebnissen im Bereich der interstellaren organischen Chemie. So wurde zum Beispiel auch unser Mond in den Polregionen genauer auf mögliches Eis in den tieferen Kratern untersucht, wobei man dort keines entdecken konnte.

Das GBT ist zudem Bestandteil des High Sensitivity Array (HSA), einer Gruppe von Radioteleskopen die gemeinsam die höchste Winkelauflösung und zugleich auch höchste Empfindlichkeit bei der Langbasisinterferometrie (VLBI) erzielen. Dabei folgten im Jahr 2012 gemeinsame Beobachtungen mit dem russischen RadioAstron-Weltraumteleskop. In diesem Jahr arbeitet das GBT bereits im globalen HSA-Netz. Neben bisherigen Beobachtung von Eigenbewegungen in der Nähe von Galaxien durch präzise Astrometrie auf Masern in Sternentstehungsgebieten ist es durch den Zusammenschluss der Teleskope möglich, mit einer bisher unerreichbaren Genauigkeit die Entfernung des Zentrums der Milchstraße parallaktisch zu bestimmen. Das liegt daran, dass mit dem HSA-Netz die vor dem Kern liegenden Staubstrukturen durchdrungen werden können.

Das GBT stellt also alles bereit für eine sehr effiziente Arbeitsweise, was auch die Nutzungszeiten bestätigen. Im Schnitt wird das Radioteleskop im Jahr knapp 6.500 Stunden benutzt und für sonstige Hochfrequenzforschungen 2.000 bis 3.000 Stunden. Das Teleskop zeigt sich mit seiner Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten als sehr flexibel und die Mitarbeiter vor Ort sorgen stets dafür, dass die Technik möglichst auf dem neusten Stand verbleibt. Dies ermöglicht dann zudem eine schnelle Reaktion auf neue wissenschaftliche Ideen, durch eine Umkonfiguration und Anpassung an neue experimentelle Hardware und Technologien. Auch die Zahlen der vergangenen Jahre zeigen noch einmal die Wichtigkeit des GBT im Bereich der Forschung, denn in den vergangenen 5 Jahren waren mehr als 900 Wissenschaftler mit ihren Studenten für Studien oder Projekte vor Ort, wobei allein 2012 mehr als 500 Wissenschaftler vor Ort waren.

Das Robert C. Byrd Green Bank Telescope ist also nicht nur das größte vollbewegliche Radioteleskop, sondern nimmt auch einen Platz ein unter den wichtigsten Radioteleskopen, die uns für die Erforschung des Universums zur Verfügung stehen.

Verwandte Webseiten:

• Informationsseite der NRAO über das GBT (englisch)

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Ein Beitrag von felixherrmann. Quelle: CfA News Release. Vertont von Siegfried Krug.

Astronomen haben die ersten negativ geladenen Moleküle im Weltraum entdeckt. Sie wurden mittels von ihnen selbst emittierten Radiosignalen, die sich bisher nicht entschlüsseln ließen, identifiziert. Zurzeit ist bekannt, dass 130 neutrale und 14 positiv geladene Moleküle im interstellaren Raum existieren, aber dieses ist das erste negative Molekül.
„Wir haben eine seltene und exotische Sorte entdeckt, wie der weiße Tiger des Weltraums“, berichtet der Astronom Michael McCarthy vom Havard-Smithsonian Zentrum für Astrophysik (CfA).

Aus mehr Erkenntnissen über die Chemie des interstellaren Raums erhoffen sich die Astronomen, endlich erklären zu können, wie die junge Erde all die grundlegenden Substanzen für das Leben bilden konnte. Forschungsergebnisse aus diesem Gebiet helfen anderen Wissenschaftlern, die Geburt und die Geburtsorte der Planeten besser nachzuvollziehen.

McCarthy arbeitet mit seinen Kollegen vom CfA Carl Gottlieb, Harshal Gupta und Patrick Thaddeus an der weiteren Identifizierung des negative geladenen Moleküls C₆H^–. Eine gerade Kette aus 6 Kohlenstoffatomen, an sie gebunden ein Wasserstoffatom und ein weiteres „Extra“ Elektron. Bisher dachte man, dass solche Moleküle extrem selten sind, weil das ultraviolette Licht, welches den Raum durchdringt, alle Elektronen ganz leicht abspaltet. Die Größe des C₆H^–-Moleküls, größer als die meisten neutralen und positven Moleküle, ruft wahrscheinlich die hohe Stabilität aus.
„Die Entdeckung des C₆H^–-Moleküls löst ein uraltes Rätsel der Astrochemie: Der ersichtliche Mangel an negativ geladenen Molekülen im Raum“, sagt Thaddeus.
Das Team führte erst Experimente im Labor durch, um genau die Radiofrequenzen zu bestimmen, nach denen sie später suchen wollten. Danach benutzten sie das Robert C. Byrd Green Bank Teleskop für ihre Suche, um nach dem C₆H^–-Molekül bei kosmischen Objekten zu suchen. In diesem Fall suchten sie zuerst die Regionen ab, von wo aus schon einmal unbekannte Radiofrequenzen mit ähnlicher Frequenz gemessen wurden.
Sie fanden das C₆H^–-Molekül in zwei verschiedenen Regionen – in einer Gashülle um den Roten Überriesen IRC+10216 in der Leo-Konstellation und außerdem noch in der kalten Molekülwolke TMC-1 im Taurus. Die Präsenz des Moleküls in beiden Regionen zeigt, dass die chemischen Prozesse, die C₆H^– entstehen lassen, allgegenwärtig sind. Es lässt auch die Existenz anderer negativ geladener Moleküle vemuten, die in nächster Zeit bestimmt gefunden werden.

„Der Fund ist der handfeste Beweis für unser ziemlich primitives Verständnis der interstellaren Chemie. Es ist aber inbegriffen, dass mehr molekulare Anionen, vielleicht sogar sehr viele, im Labor oder im Weltraum gefunden werden“, erzählt McCarthy.

Ein ausführlicher Forschungsbericht wird am 1.Dezember in der Ausgabe des „Astrophysical Journal Letters“ erscheinen.

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Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: Cornell University News Release.

Ach je, der Mond ist nichts für Wintersportler. Lasst die Schlittschuhe auf der Erde. Niemand braucht sich mehr Sorgen zu machen, ob er in einem unförmigen Raumanzug einen Dreifach-Axel hinkriegt (auch wenn die verringerte Schwerkraft helfen könnte) – denn Eis wird man dort oben schwerlich antreffen.
Zumindest ist das die neueste Erkenntnis von Astronomen der Cornell-Universität und dem Smithsonian-Institut, die hochauflösende Radar-Technologie einsetzten, um nach Eisvorkommen an den Mondpolen zu suchen. Ihre Ergebnisse erschienen in der Oktoberausgabe des Journals „Nature“.

Die Forscher unter Führung von Donald Campbell, Professor für Astronomie an der Cornell-Universität, setzten zwei bekannte Radioteleskope für ihre Untersuchungen ein: Mit der riesigen, aus dem Fels gehauenen Antennenschüssel des Arecibo-Observatoriums in Puerto Rico schickten sie Radarwellen zum Mond, die sie 2,5 Sekunden später mit dem Robert C. Byrd Green Bank Teleskop in West Virginia wieder empfingen. Mit einer Wellenlänge von 13 Zentimeter aufgenommen, haben die Radarbilder eine Auflösung von bis zu 20 Meter pro Pixel – die bisher höchste Auflösung, was Radarbilder vom Mond angeht.

Frühere Radarbilder des Mond-Südpols, mit niedrigerer Auflösung in den 1990er-Jahren aufgenommen, hatten zahlreiche kleine Stellen gezeigt, die zirkular polarisierte Radarwellen kaum absorbierten, also im CPR-Bild (Circular Polarization Ratio) auffallend hell erschienen. Da man von Radaruntersuchungen anderer Oberflächen im Sonnensystem, die nachweislich tief gefrorenes Wasser enthalten, dasselbe Phänomen kennt, keimte die Hoffnung, dass auch am lunaren Südpol Wassereis zu finden sein könnte. Unter anderem hat man auf diese Art Wassereis in tiefen Polkratern des Merkur gefunden, in die die Sonne niemals hinein scheint. Und Mondkrater mit reichen Wasservorkommen wären eine gute Basis für eine permanent besetzte Mondstation.

Allerdings ist Wassereis nicht die einzige mögliche Ursache für die CPR-hellen Stellen. Und eine weitere Schwierigkeit: Es ist von der Erde aus ohnehin nicht einfach, ausgerechnet die Pole des Mondes zu beobachten, da die einfallenden Strahlen die Mondoberfläche dort fast im rechten Winkel treffen. Somit gilt für die Radarwellen dasselbe wie für das Sonnenlicht: In tiefe Krater kann man nicht hinein schauen.

Bei den neuen Untersuchungen fanden die Forscher nun wieder CPR-helle Flecken. Dank der höheren Auflösung konnten sie jetzt aber auch sehen, dass hohe CPR-Werte nicht nur dort auftraten, wo es dauerhaft kalt genug blieb, damit Eis sich halten kann. Sie traten vielmehr auch in sonnenbeschienenen Regionen auf, wo die Temperaturen bis zu 117 Grad Celsius erreichen können und also Eis bekanntlich schnell verdampfen würde. Dies alles deutet darauf hin, dass wohl eher verstreute Felsen, das typische Auswurfmaterial junger Einschlagskrater, die Ursache für die hohen CPR-Werte sind.

Forschungsleiter Donald Campbell sagte, dass die neuen Daten einen Strich unter die Debatte ziehen sollten. „Die Auflösung war diesmal höher als jemals zuvor. Damit haben wir den Nagel in den Sarg der Wassereis-Theorie geschlagen, denn wir konnten nachweisen, dass diese hohen CPR-Werte mit Vorkommen von Felsmaterial rund um Einschlagskrater korrelieren. Viele Leute haben angenommen, dass hohe CPR-Werte auf Wasser hindeuten müssen. Wir sagen nun, dass dies nicht der Fall sein dürfte.“

Er fügte hinzu: „Es gibt zwar immer noch die Möglichkeit, dass konzentrierte Vorkommen an einigen schattigen Stellen existieren könnten, die von der Erde aus nicht sichtbar sind. Aber alle derzeitigen Planungen für Lander oder Stationen sollten nicht davon ausgehen.“

Licht in’s Dunkel der Krater soll eine Mondmission bringen, die für 2009 geplant ist. Dann soll der Lunar Reconnaissance Orbiter unter anderem eine Aufschlagsonde in den 19 Kilometer weiten „Shackleton-Krater“ abwerfen, innerhalb dessen der Mondsüdpol liegt, durch die aufgewirbelte Explosionswolke hindurch fliegen und das Material analysieren. Der Lunar Prospector Orbiter war bereits 1999 in den benachbarten „Shoemaker-Krater“ gelenkt worden. Dessen Auswurf wurde von der Erde aus analysiert, ohne dass Anzeichen von Wasser gefunden worden wären.

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