Quelle: AIP.

22. Juli 2021 – Planetarische Nebel sind in der Nachbarschaft zur Sonne als farbenprächtige Objekte bekannt, die am Ende des Lebens eines Sterns bei der Entwicklung vom Stadium des Roten Riesen zum Weißen Zwerg auftreten: Wenn der Stern seinen Brennstoff zur Kernfusion aufgebraucht hat, bläst er seine Gashülle in den interstellaren Raum ab, kontrahiert, wird extrem heiß, und regt die expandierende Gashülle zum Leuchten an. Anders als das kontinuierliche Spektrum des Sterns, strahlen die Ionen bestimmter Elemente in dieser Gashülle, wie z.B. von Wasserstoff, Sauerstoff, Helium und Neon, Licht aber nur bei bestimmten Wellenlängen ab. Spezielle optische Filter, die auf diese Wellenlängen abgestimmt sind, können die schwach leuchtenden Nebel sichtbar machen. Das nächstgelegene Objekt dieser Art in unserer Milchstraße ist der 650 Lichtjahre entfernte Helixnebel.

Mit wachsender Entfernung eines planetarischen Nebels schrumpft der scheinbare Durchmesser in einer Bildaufnahme, und die integrierte scheinbare Helligkeit nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. In unserer Nachbargalaxie, der Andromedagalaxie, wäre mit einer fast 4000-fach größeren Entfernung der Helixnebel nur noch als Punkt wahrnehmbar, und seine scheinbare Helligkeit wäre fast 15 Millionen Mal schwächer. Mit modernen Großteleskopen und langer Belichtungszeit können solche Objekte unter Verwendung optischer Filter oder bildgebender Spektroskopie dennoch abgebildet und vermessen werden. Martin Roth, Erstautor der neuen Studie und Leiter der Abteilung innoFSPEC am AIP: „Mit dem am AIP entwickelten PMAS-Instrument gelang uns dies erstmals mit integraler Feldspektroskopie für eine Handvoll planetarischer Nebel in der Andromeda-Galaxie in den Jahren 2001 bis 2002 am 3,5-m-Teleskop des Calar-Alto-Observatoriums. Das relativ kleine PMAS-Sichtfeld erlaubte es jedoch noch nicht, eine größere Stichprobe von Objekten zu untersuchen.“

Es hat gut 20 Jahre gedauert, bis mit einem leistungsfähigeren Instrument mit einem mehr als 50-fach größerem Gesichtsfeld an einem deutlich größeren Teleskop diese ersten Experimente weiterentwickelt werden konnten. MUSE am Very Large Telescope in Chile wurde in erster Linie für die Entdeckung extrem lichtschwacher Objekte am Rand des für uns derzeit beobachtbaren Universums entwickelt und hat dazu seit den ersten Beobachtungen spektakuläre Ergebnisse erbracht. Genau diese Eigenschaft ist es, die auch bei der Detektion von äußerst lichtschwachen planetarischen Nebeln in einer entfernten Galaxie zum Tragen kommt.

Die Galaxie NGC 474 ist ein besonders schönes Beispiel für eine Galaxie, die durch Kollision mit anderen, kleineren Galaxien eine auffällige Ringstruktur aus den durch Gravitationswirkung gestreuten Sternen gebildet hat. Sie liegt in etwa 110 Millionen Lichtjahren Entfernung, ist also ca. 170.000-mal weiter entfernt als der Helixnebel. Die scheinbare Helligkeit eines planetarischen Nebels in dieser Galaxie ist daher fast 30 Milliarden Mal geringer als die des Helixnebels und liegt im Bereich der kosmologisch interessanten Galaxien, für die das Team das MUSE-Instrument konzipierte.

Ein Forscherteam des AIP hat mit Kollegen aus den USA eine Methode entwickelt, wie sich mit MUSE die extrem schwachen Signale von planetarischen Nebeln in weit entfernten Galaxien mit hoher Empfindlichkeit isolieren und präzise vermessen lassen. Ein besonders wirkungsvoller Filteralgorithmus bei der Bilddatenverarbeitung spielt hier eine wichtige Rolle. Für die Ringgalaxie NGC 474 standen ESO-Archivdaten zur Verfügung, die auf zwei sehr tiefen MUSE-Belichtungen mit je 5 Stunden Beobachtungszeit beruhen. Das Ergebnis der Datenverarbeitung: Nach Anwenden des Filteralgorithmus wurden insgesamt 15 extrem lichtschwache planetarische Nebel sichtbar.

Dieses hochempfindliche Verfahren eröffnet eine neue Methode zur Entfernungsmessung, die geeignet ist, zur Lösung der derzeit diskutierten Diskrepanz bei der Bestimmung der Hubble-Konstanten beizutragen. Planetarische Nebel besitzen die Eigenschaft, dass physikalisch eine gewisse maximale Leuchtkraft nicht überschritten werden kann. Die Verteilungsfunktion der Helligkeiten einer Stichprobe in einer Galaxie, d.h. die Leuchtkraftfunktion der planetarischen Nebel (PNLF), bricht am hellen Ende ab. Diese Eigenschaft ist die einer Standardkerze, mit Hilfe derer sich durch statistische Methoden eine Entfernung berechnen lässt. Das PNLF-Verfahren wurde bereits 1989 von den Teammitgliedern George Jacoby (NSF’s NOIRLab) und Robin Ciardullo (Penn State University) entwickelt. Es ist in den vergangenen 30 Jahren für mehr als 50 Galaxien erfolgreich angewendet worden, war aber aufgrund der bislang verwendeten Filtermessungen limitiert. Galaxien mit Entfernungen größer als der des Virgo- oder Fornaxhaufens lagen außerhalb der Reichweite. Die nun im Astrophysical Journal veröffentlichte Studie zeigt, dass mit MUSE mehr als doppelt so große Reichweiten erzielt werden können und damit eine unabhängige Messung der Hubble-Konstanten ermöglicht wird.

Originalveröffentlichung

Toward Precision Cosmology with Improved PNLF Distances Using VLT-MUSEI. Methodology and Tests. Martin M. Roth, George H. Jacoby, Robin Ciardullo, Brian D. Davis, Owen Chase, Peter M. Weilbacher. The Astrophysical Journal, 22 July 2021

https://arxiv.org/abs/2105.01982

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• Planetarische Nebel

Der Beitrag AIP: Planetarische Nebel in entfernten Galaxien erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Maria Steinrück. Quelle: NASA.

Der Helixnebel, ein Planetarischer Nebel, befindet sich im Sternbild Wassermann und ist ungefähr 700 Lichtjahre entfernt. Er entstand, als ein Stern ähnlich unserer Sonne am Ende seines Lebens seine äußere Hülle abstieß. Zurück blieb ein Weißer Zwerg im Zentrum des Helixnebels. Seine Strahlung erhitzt das umliegende, ausgestoßene Gas und bringt es zum Leuchten.
Astronomen haben bereits oft den Helixnebel untersucht, der Staub nahe um den Weißen Zwerg war jedoch bisher noch nicht entdeckt worden. Das Infrarot-Weltraumteleskops Spitzer nahm nun eine staubige Scheibe, die den Stern zwischen 35 und 150 Astronomischen Einheiten (eine Astronomische Einheit entspricht dem Abstand der Erde zur Sonne: 150 Millionen Kilometer) umkreist, auf.

Dr. Kate Su und ihr Team von der University of Arizona waren zunächst sehr überrascht, denn eigentlich müsste der Staub, als der Stern starb, zusammen mit der äußeren Hülle des Sterns weggeschleudert worden sein.

Die wahrscheinlichste Erklärung ist, dass der Staub von Kometen stammt. Als anstelle des Weißen Zwerges noch ein normaler Stern stand, umkreisten ihn Kometen, Asteroiden und möglicherweise auch Planeten. Beim Tod des Sternes wurden die inneren Planeten von dem expandierenden Stern verschlungen, die äußeren Planeten und Kometen wurden aus ihren Bahnen geworfen und stießen zusammen.

Das Spitzer-Teleskop entdeckte bereits vor einem Jahr eine Staubscheibe um einen Weißen Zwerg. Diese hatte jedoch ganz andere Ausmaße: Sie umkreiste ihn in einem Abstand von 0,05 bis 0,3 Astronomischen Einheiten, also viel näher als die im Helixnebel.

„Anhaltspunkte für planetarische Aktivitäten um einen toten Stern zu finden, ist überraschend“, meinte Dr. George Rieke, der ebenfalls zu diesem Forscherteam der Universitiy of Arizona gehört. „Es jedoch zweimal mit so unterschiedlichen Eigenschaften zu finden, ist ein Schock!“

Die Daten von Spitzer könnten auch dabei helfen, ein Rätsel um den Helixnebel zu lösen. Vorhergehende Beobachtungen im Röntgenbereich zeigten, dass energiereiche Röntgenstrahlen von dem Weißen Zwerg im Zentrum des Helixnebels ausgingen. Mit einer Temperatur von 110.000 Kelvin ist der Weiße Zwerg aber nicht heiß genug, um diese auszusenden. Bisher vermutete man, dass er einen unentdeckten Begleiter hatte und Masse von diesem akkretierte. Es könnte jedoch auch Material aus der neu entdeckten Staubscheibe auf den Stern fallen und die Röntgenstrahlung auslösen.

Das leuchtende Gas um den Helixnebel wird innerhalb der nächsten 10.000 Jahre verblassen – in kosmischen Maßstäben eine kurze Zeit – und den Weißen Zwerg mit seinen Kometen zurücklassen. Unsere Sonne wird in ungefähr 5 Milliarden Jahren eine ähnliche Entwicklung durchmachen.

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Ein Beitrag von martinollrom. Quelle: SpaceFlightNow.

Der Schein kann sehr leicht trügen, vor allem bei himmlischen Objekten wie Galaxien und Nebeln. Diese Objekte sind so weit von uns entfernt, dass Astronomen sie meist nur mit Modellen analysieren können und man ihre dreidimensionale Struktur nicht mehr sehen kann. Der Helix Nebel, zum Beispiel, sieht wie ein Krapfen aus, mit wunderschönen Farben. Frühere Untersuchungen dieses Nebels ergaben, dass die Gase, die ausgestoßen werden, von einem sterbenden, sonnenähnlichen Stern ausgehen. So konnte man nicht die genaue Struktur interpretieren.

Eine Forschergruppe nutzte nun einige große Observatorien, unter anderem das Hubble-Teleskop, und fand heraus, dass die Struktur von Helix beeindruckender sein dürfte als bisher angenommen. Den Informationen zufolge besteht der Helix Nebel aus zwei Gas-Scheiben die senkrecht zueinander sind. Für diese Untersuchungen wurde nicht nur das Hubble-Teleskop, sondern auch erdgebundene Teleskope wie das Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile benutzt, welches die Geschwindigkeit und Richtung der Ausstöße des sterbenden Sterns zeigen. Der Helix ist der uns nahste planetarische Nebel und ein sehr begehrtes Ziel für wissenschaftliche Untersuchungen. Die Forscher hoffen in ihm die Antwort auf folgende Frage zu finden: Wie formte sich das Gas um einen sterbenden Stern, der einen solchen Nebel entstehen ließ?

Eine weitere große Überraschung war, dass das ausgestoßene Material sich in Form von Scheiben zusammensetzt. Jede von diesen Scheiben hat Nord- und Südpol und das Material wird entlang dieser Achse ausgestoßen.
Man sieht hier am eindrucksvollsten, dass wir kaum etwas wissen über den Weltraum, selbst dann nicht, wenn wir glauben über ein bestimmtes Objekt etwas zu wissen. Aufgrund der großen Entfernung kann bestenfalls von Spekulationen gesprochen werden, doch sicher werden wir nur etwas wissen, wenn wir in entsprechender Nähe sind.

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