Quelle: Universität Stuttgart 16. Juni 2023.

16. Juni 2023 – Seit Jahrzehnten erforschen Astronomen und Astronominnen die Kräfte, die das Innere von Galaxien bestimmen: Schwerkraft, kinetische Energie, stellare Strahlung, Gasdruck. Die Bedeutung von Magnetfeldern für die Entwicklung von Galaxien ist allerdings noch weitgehend unverstanden – und das, obwohl sie bis zur Hälfte des gesamten Energiehaushalts des Gases in einer Galaxie ausmachen können. Beobachtungen des warmen diffusen Gases zwischen den Sternen im Radiowellenbereich deuten darauf hin, dass vermutlich alle Galaxien von einem geordneten großskaligen Magnetfeld gewaltiger Dimension durchzogen sind. Aber wie sieht es auf kleineren Skalen wie etwa den kalten dichten Molekülwolken aus, in denen Sterne entstehen? Befinden sich dort ähnlich geordnete Magnetfelder? Regulieren diese womöglich die Geschwindigkeit der Sternentstehung? Beeinflussen sie die Bildung der molekularen Wolken oder die Kinematik der Scheibe einer Spiralgalaxie?

Um diesen Fragen nachzugehen, hat ein internationales Team um Alejandro Borloff vom NASA Ames Research Center im Rahmen des SOFIA-Legacy-Programms SALSA (Survey on extragALactic magnetiSm with SOFIA) die Magnetfelder von 14 Galaxien in der Nachbarschaft der Milchstraße untersucht. Dazu haben die Forschenden die Galaxien mit der hochauflösenden Airborne Wideband Camera HAWC+ an Bord von SOFIA im fernen infraroten Wellenlängenbereich bei zwischen 53 und 214 Mikrometern beobachtet. Nur bei diesen Wellenlängen können Forschende die Magnetfelder in den kalten, dichten Molekülwolken der Sternentstehungsgebiete vermessen. Allerdings sind Magnetfelder von Natur aus schwer bzw. nur indirekt zu detektieren, sodass die Forschenden einen Trick anwenden: In den Molekülwolken befinden sich längliche Staubkörner geringer Ausdehnung, die sich senkrecht zum Magnetfeld ausrichten, sodass die Strahlung, die von diesen Staubkörnern ausgeht, polarisiert ist. Mit dem HAWC+-Instrument konnte das Team um Alejandro Borloff dieses polarisierte, ferninfrarote Licht der magnetisch ausgerichteten Staubkörner beobachten und daraus anschließend die Orientierung der Magnetfelder in den Molekülwolken ableiten.

Ein Vergleich mit Radiodaten vom Effelsberg-Teleskop in Deutschland und Very Large Array in New Mexico bei Wellenlängen von wenigen Zentimetern, die beide für die polarisierte Strahlung aus dem weniger dichten Gas der Galaxien empfindlich sind, zeigt Erstaunliches: Spiralgalaxien neigen zwar dazu Magnetfelder zu haben, die auf großen Skalen den Spiralarmen aus Gas und Sternen folgen. Die mit SOFIA abgeleiteten Magnetfelder auf den kleineren Skalen der Molekülwolken sind jedoch chaotischer und weniger geordnet als die mit Radioteleskopen beobachteten. „Die Ergebnisse des Projektes SALSA sind sehr wichtig“, erläutert Rainer Beck vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und Ko-Autor der veröffentlichten Studie. “Zum ersten Mal gibt es Polarisationsdaten von Galaxien mit ähnlicher Winkelauflösung wie die unserer Radiokarten im Ferninfrarot, sodass sich die Magnetfeldstruktur im kalten interstellaren Medium mit der im warmem interstellaren Medium vergleichen lässt. Die Strukturen sind ähnlich, aber es gibt auch signifikante Unterschiede, z.B. in Regionen zwischen den Spiralarmen und in den Außengebieten der galaktischen Scheiben. Die Ähnlichkeit der im Ferninfrarot- und Radiobereich gemessenen Magnetfeldstrukturen ist ein starkes Argument für die Aktivität von galaktischen Dynamos, deren Theorie vor rund 50 Jahren in Deutschland, den USA und Russland entwickelt wurde.“

Das SALSA-Projekt umfasst neben sogenannten Starburst-Galaxien, die mit einer unglaublich hohen Rate Sterne bilden – oft als Folge einer Kollision zwischen Galaxien oder anderer gravitativer Störungen – auch Galaxien, die ein supermassereiches Schwarzes Loch beherbergen, das energiereiche Jets aus ionisiertem Gas senkrecht zur galaktischen Ebene rauschleudert. Die SALSA-Ergebnisse zeigen, dass SOFIA das Magnetfeld, das parallel zu diesen Ausströmungen in Starburst-Galaxien ausgerichtet ist, im Ferninfraroten besser detektieren kann als Radioteleskope. Radioteleskope hingegen sind tendenziell empfindlicher für die Magnetfelder im diffusen Gas in den Regionen zwischen den Spiralarmen der Wirtsgalaxien. Bei einigen Galaxien wie etwa NGC 2146 ist SOFIA mithilfe der HAWC+-Beobachtungen bei verschiedenen Wellenlängen sogar in der Lage, zwischen dem Magnetfeld des galaktischen Ausflusses und dem der galaktischen Ebene zu unterscheiden.

Das von den magnetisch ausgerichteten Staubkörnern im kalten, dichten interstellaren Medium ausgestrahlte Ferninfrarotlicht zeigt, dass Magnetfelder untrennbar mit der Sternentstehung verbunden sind: Dieselben Prozesse, die neue Sterne bilden, können gleichzeitig die Stärke und Struktur der umliegenden Magnetfelder beeinflussen. Die Ergebnisse des SALSA-Projekts zeigen, dass die Magnetfelder in turbulenten, dichten, sternbildenden Gaswolken ungeordneter sind als im diffusen interstellaren Gas – ein Effekt, der vermutlich direkt mit den Auswirkungen der von Sternbildung freigesetzten Energie zusammenhängt. Verschiedene Wellenbereiche (Ferninfrarot, Radio) offenbaren Regionen mit unterschiedlicher Magnetfeldstruktur. Hochauflösende Polarisationsbeobachtungen von Galaxien im fernen Infrarot, wie sie mit HAWC+ an Bord von SOFIA geliefert werden konnten, sind für das Verständnis der Rolle von Magnetfeldern in der Entwicklung des Universums von Bedeutung.

Über SALSA:
SALSA – Das Joint Legacy Program „SALSA – Survey of Extagalactic Magnetism with SOFIA“ zielt darauf ab, ein umfassendes empirisches Bild der magnetischen Feldstärke und Struktur im mehrphasigen ISM von Galaxien zu erstellen. Zum ersten Mal wird eine polarimetrische FIR-Durchmusterung von nahen Galaxien durchgeführt. Diese Ergebnisse werden mit radio-polarimetrischen und optischen spektroskopischen Beobachtungen kombiniert, um die Magnetfeldstärke/-struktur sowie die Gasdynamik als Funktion der Eigenschaften der Wirtsgalaxie und der galaktischen Umgebung auf der kpc-Skala zu bestimmen. Die polarimetrischen Beobachtungen dieses Legacy-Programms mit großem Feld und mehreren Wellenlängen werden einen entscheidenden Schritt darstellen, der den grundlegenden Rahmen für die Magnetfeldstruktur in den molekularen Gasscheiben naher Galaxien im kpc-Maßstab schaffen wird.

Über SOFIA:
SOFIA, das Stratosphären Observatorium Für Infrarot Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR; Förderkennzeichen 50OK0901, 50OK1301, 50OK1701 und FKZ 50 OK 2002) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Die SOFIA-Aktivitäten werden auf deutscher Seite von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR koordiniert und vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart durchgeführt, auf amerikanischer Seite von der NASA und der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente wurde finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

Originalveröffentlichung:
Extragalactic magnetism with SOFIA (SALSA Legacy Program) — V: First results on the magnetic field orientation of galaxies,
https://arxiv.org/abs/2303.13586,
pdf: https://arxiv.org/pdf/2303.13586.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: MPIC 1. August 2022.

1. August 2022 – Bis vor Kurzem ging die Kosmochemie und Astrophysik davon aus, dass Supernovae und ihre Vorläufer, die Überriesen-Sterne, nur wenig zum Sternenstaubgehalt unseres Sonnensystems beigetragen haben. Neuere Untersuchungen deuten aber darauf hin, dass ein erheblicher Teil des Sternenstaubs (mehr als 25 Prozent) im Sonnensystem aus Supernova-Explosionen und deren Vorläufersternen stammt. Damit lassen sich Zusammensetzung und Ursprung der Bausteine unseres Sonnensystems besser verstehen. Die vorherigen Annahmen zum Ursprung des Staubs waren noch sehr unsicher.

Die chemischen Elemente von Kohlenstoff bis Uran entstehen ausschließlich in Sternen in der sogenannten stellaren Nukleosynthese. Am Lebensende eines Sterns werden sie als Wind oder in einer gewaltigen Explosion (Supernovae) an den umgebenden Raum, das sogenannte interstellare Medium, abgegeben. Ein großer Teil der nicht-flüchtigen Elemente kondensiert dabei zu Sternenstaub, der aber im interstellaren Medium später zum Teil wieder zerstört wird. Der überdauernde Teil der Körnchen wurde vor ca. 4,6 Milliarden Jahren auch in die planetaren Körper unseres Sonnensystems eingebaut. Da diese Körner bereits vor der Bildung unseres Sonnensystems existierten, werden sie „präsolare Körner“ genannt. Sie weisen für unser Sonnensystem untypische, also anomale, Isotopenmuster auf. Aufgrund dieser charakteristischen Isotopenhäufigkeitsanomalien können sie in Meteoriten und Kometenmaterial aufgespürt werden. Präsolare Körner bieten die einzigartige Möglichkeit, die Prozesse der stellaren Nukleosynthese sehr detailliert im Labor zu studieren und die Sterntypen zu identifizieren, die Staub zum Sonnensystem beigetragen haben. Dies liefert einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis des Ursprungs der chemischen Elemente und der Entstehung unseres Sonnensystems.

In dem jetzt erschienen Artikel in Nature Astronomy werden die jüngsten Erkenntnisse aus Studien dieser präsolaren Körner vorgestellt und die Auswirkungen auf zukünftige Forschungen, interstellare Staubmodelle und die Interpretation astronomischer Beobachtungen von Staub im Auswurfmaterial von Supernova-Explosionen diskutiert.
Möglich wurden die neuen Erkenntnisse mithilfe verbesserter Analysemethoden mit der NanoSIMS-Ionensonde an Sternenstaub sowie neuer Modellrechnungen. Mithilfe der NanoSIMS-Ionensonde wird im Submikrometerbereich die Verteilung der Häufigkeit bestimmter Isotope gemessen. Dazu wird die Probe mit einem fokussierten Ionenstrahl abgerastert und die dabei aus der Probe herausgeschlagenen Teilchen massenspektrometrisch analysiert.

Genauere Staubmodelle des interstellaren Mediums möglich
Peter Hoppe, Gruppenleiter in der Abteilung Partikelchemie des MPI für Chemie und Erstautor der Publikation, erklärt: „Das Wissen, dass ein weitaus größerer Teil des Sternenstaubs aus Supernova-Explosionen stammt, liefert der Forschung wichtige neue Parameter für Computermodelle über die Entwicklung des Staubs im interstellaren Medium. Dies gilt insbesondere, wenn man das Überleben von frisch produziertem Supernova-Staub und altem, interstellaren Staub beim Durchgang von Supernova-Schockwellen beschreibt.“ Letzteres sei von Interesse, da der Staub eine wichtige Rolle als Katalysator für chemische Reaktionen in interstellaren Molekülwolken spiele und als Baustein für die Entstehung neuer Planeten in protoplanetaren Scheiben in jungen Sternsystemen gelte. Die Prozesse, die zur Vermischung von Sternenstaub im lokalen interstellaren Medium über ausgedehnte räumliche und zeitliche Skalen geführt haben, seien noch nicht ausreichend erforscht und sollten in zukünftigen Entwicklungsmodellen genauer untersucht werden, fasst der Astrophysiker zusammen.

Publikation
Dust from Supernovae and their Progenitors in the Solar Nebula, Peter Hoppe, Jan Leitner, János Kodolányi, Stephan Borrmann, Anthony P. Jones, Nature Astronomy, doi.org/10.1038/s41550-022-01737-5
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01737-5

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• Supernovae

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 28. Juni 2022.

28. Juni 2022 – Einer internationalen Gruppe von Astrophysikern unter der Leitung von Arnaud Belloche vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn ist der erstmalige Nachweis des Moleküls Iso-Propanol im interstellaren Raum gelungen, einer Substanz, die auf der Erde als Desinfektionsmittel verwendet wird. Iso-Propanol ist das größte bisher im interstellaren Raum entdeckte Alkoholmolekül und zeigt die zunehmende Komplexität der Mitglieder einer der häufigsten Molekülklassen, die im Weltraum zu finden sind. Möglich wurde die Entdeckung durch die Beobachtung einer bestimmten Sternentstehungsregion in der Milchstraße, in der bereits zahlreiche Moleküle nachgewiesen wurden. Sagittarius B2 (Sgr B2) befindet sich in der Nähe des Zentrums unserer Galaxie. Sgr B2 ist das Ziel einer umfangreichen Untersuchung der chemischen Zusammensetzung mit dem ALMA-Teleskop in der chilenischen Atacamawüste.

Das Ergebnis wird diese Woche in zwei Online-Publikationen in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ vorgestellt.

Die Suche nach Molekülen im Weltraum erfolgt bereits seit mehr als 50 Jahren. Bis heute konnten Astronomen 276 Moleküle im interstellaren Medium identifizieren. Die Kölner Datenbank für Molekülspektroskopie (CDMS) präsentiert spektroskopische Daten zum Nachweis dieser Moleküle, die von vielen Forschungsgruppen beigesteuert wurden, und hat in vielen Fällen zur Identifikation dieser Moleküle beigetragen.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es zu verstehen, wie sich organische Moleküle im interstellaren Medium bilden, insbesondere in Regionen, in denen neue Sterne geboren werden, und wie komplex diese Moleküle sein können. Eine Motivation dahinter ist, Verbindungen zur chemischen Zusammensetzung von Körpern im Sonnensystem wie Kometen herzustellen, wie sie zum Beispiel die Rosetta-Mission zum Kometen Tschurjumow-Gerassimenko vor einigen Jahren geliefert hat.

Eine besonders geeignete Sternentstehungsregion in unserer Galaxis, in der in der Vergangenheit bereits viele Moleküle nachgewiesen werden konnten, ist Sagittarius B2 (Sgr B2), ganz in der Nähe von Sgr A* dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße.

„Unsere Gruppe hat vor mehr als 15 Jahren begonnen, die chemische Zusammensetzung von Sgr B2 mit dem 30-m-IRAM-Radioteleskop zu untersuchen“, sagt Arnaud Belloche vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, der Erstautor der Veröffentlichung zur Entdeckung von Iso-Propanol. „Diese Beobachtungen waren erfolgreich und führten insbesondere zum ersten interstellaren Nachweis einer Reihe von organischen Molekülen, neben vielen anderen Ergebnissen.“

Mit dem „Atacama Large Millimeter/submillimeter Array“ (ALMA), das vor zehn Jahren den Betrieb aufnahm, wurde es möglich, über das hinauszugehen, was mit einzelnen Radioteleskopen in Richtung Sgr B2 erreicht werden konnte, und es wurde eine Langzeitstudie der chemischen Zusammensetzung von Sgr B2 mit hoher Winkelauflösung begonnen, die auch die hohe Empfindlichkeit von ALMA nutzt.

Die ALMA-Beobachtungen haben seit 2014 zur Identifizierung von drei neuen organischen Molekülen (Isopropylcyanid, N-Methylformamid, Harnstoff) geführt. Das neueste Ergebnis im Rahmen dieses ALMA-Projekts stellt nun der Nachweis von Propanol (C₃H₇OH) dar.

Propanol ist das größte bisher im interstellaren Raum entdeckte Alkoholmolekül. Dieses Molekül existiert in zwei Formen („Isomeren“), je nachdem, an welches Kohlenstoffatom die funktionelle Hydroxylgruppe (OH) gebunden ist: 1) Normales Propanol, bei dem das OH an ein endständiges Kohlenstoffatom der Kette gebunden ist, und 2) Iso-Propanol, bei dem das OH an das zentrale Kohlenstoffatom der Kette gebunden ist. Beide Isomere von Propanol in Sgr B2 konnten im ALMA-Datensatz identifiziert werden. Es ist das erste Mal, dass Iso-Propanol im interstellaren Medium und normales Propanol in einer Sternentstehungsregion nachgewiesen werden konnten. Der erste interstellare Nachweis von Normal-Propanol wurde kurz vor dem ALMA-Nachweis von einer spanischen Forschergruppe mit Einzelteleskopen in einer Molekülwolke unweit von Sgr B2 erbracht. Der Nachweis von Iso-Propanol in Richtung Sgr B2 war jedoch nur mit ALMA möglich.

„Der Nachweis beider Isomere des Propanols ist von einzigartiger Aussagekraft, wenn es darum geht, den Entstehungsmechanismus der beiden Isomere zu bestimmen. Weil sie sich so ähnlich sind, verhalten sie sich auch physikalisch sehr ähnlich, was bedeutet, dass die beiden Moleküle an denselben Orten und zu denselben Zeiten vorhanden sein sollten“, sagt Rob Garrod von der University of Virginia (Charlottesville/USA). „Die einzige offene Frage ist die nach den genauen Mengen, die vorhanden sind – das macht ihr interstellares Häufigkeitsverhältnis viel präziser, als es bei anderen Molekülpaaren der Fall wäre. Das bedeutet auch, dass das chemische Netzwerk sehr viel genauer abgestimmt werden kann, um die Mechanismen für ihre Entstehung zu ermitteln.“

Das ALMA-Teleskopnetzwerk war dank seiner hohen Empfindlichkeit, seiner hohen Winkelauflösung und seiner breiten Frequenzabdeckung entscheidend für den Nachweis beider Isomere von Propanol in Richtung Sgr B2. Eine Schwierigkeit bei der Identifizierung von organischen Molekülen in den Spektren von Sternentstehungsgebieten ist die Konfusion im Spektrum. Jedes Molekül sendet Strahlung bei bestimmten Frequenzen aus, seinen spektralen „Fingerabdruck“, der aus Labormessungen bekannt ist.

„Je größer das Molekül ist, desto mehr Spektrallinien bei verschiedenen Frequenzen wird es emittieren. In einer Quelle wie Sgr B2 gibt es so viele Moleküle, die zur beobachteten Strahlung beitragen, dass sich ihre Spektren überschneiden und es schwierig ist, ihre Fingerabdrücke zu entwirren und sie einzeln zu identifizieren“, sagt Holger Müller von der Universität Köln, wo Labormessungen insbesondere zu normalem Propanol durchgeführt wurden.

Dank der hohen Winkelauflösung von ALMA war es möglich, Teile von Sgr B2 zu isolieren, die sehr schmale Spektrallinien emittieren – fünfmal schmaler als die Linien, die mit dem 30-m-IRAM-Radioteleskop auf größeren Skalen nachgewiesen wurden! Die Schmalheit dieser Linien reduziert die Konfusion im Spektrum, und das war auch der Schlüssel zur Identifizierung der beiden Isomere von Propanol in Sgr B2. Auch die Empfindlichkeit von ALMA spielte eine wichtige Rolle: Bei einer zweimal schlechteren Empfindlichkeit wäre es nicht möglich gewesen, Propanol in den gesammelten Daten zu identifizieren.

Diese Forschung ist ein langjähriges Projekt, um die chemische Zusammensetzung in unterschiedlichen Regionen von Sgr B2 zu untersuchen, in denen neue Sterne entstehen, und so die chemischen Prozesse zu verstehen, die bei der Sternentstehung ablaufen. Das Ziel ist es, die chemische Zusammensetzung der Sternentstehungsgebiete zu bestimmen und möglicherweise neue interstellare Moleküle zu identifizieren. „Propanol steht schon lange auf unserer Liste der aufzuspürenden Moleküle, aber erst die jüngste Vergleichsarbeit im Labor zur Charakterisierung des Spektrums der Rotationsübergänge hat es uns ermöglicht, die beiden Isomere von Propanol eindeutig zu identifizieren“, sagt Oliver Zingsheim, ebenfalls von der Universität Köln.

Der Nachweis eng verwandter Moleküle, die sich in ihrer Struktur leicht voneinander unterscheiden (wie normales und Iso-Propanol oder, wie bereits in der Vergangenheit, normales und Iso-Propylcyanid), und die Messung ihres Häufigkeitsverhältnisses ermöglicht es den Forschern, bestimmte Teile des chemischen Reaktionsnetzwerks zu untersuchen, das zur Produktion von Molekülen im interstellaren Medium führt.

„Es gibt noch viele unidentifizierte Linien im ALMA-Spektrum von Sgr B2 und somit noch eine Menge Arbeit, um die chemische Zusammensetzung dieser wichtigen Quelle zu entschlüsseln. In naher Zukunft wird uns die Erweiterung der ALMA-Instrumentierung auf niedrigere Frequenzen wahrscheinlich dabei helfen, die Konfusion im Spektrum noch weiter zu reduzieren und möglicherweise weitere organische Moleküle in Sgr B2 zu identifizieren“, schließt Karl Menten, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung Millimeter- und Submillimeterastronomie.

Hintergrundinformationen
Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, eine Partnerschaft zwischen der Europäischen Südsternwarte (ESO), der U.S. National Science Foundation (NSF) und den National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Japan in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. ALMA wird von der ESO im Namen ihrer Mitgliedstaaten, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem National Research Council of Canada (NRC) und dem Ministry of Science and Technology (MOST) und vom NINS in Zusammenarbeit mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI) finanziert. Bau und Betrieb von ALMA werden von der ESO im Namen ihrer Mitgliedstaaten, vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das von Associated Universities, Inc. (AUI) verwaltet wird, im Namen Nordamerikas und vom National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) im Namen Ostasiens geleitet. Das Joint ALMA Observatory (JAO) übernimmt die einheitliche Leitung und das Management von Bau, Inbetriebnahme und Betrieb von ALMA.

Die abbildende Spektrallinien-Durchmusterung ReMoCA, die mit ALMA bei hoher Winkelauflösung durchgeführt wurde, und die Ergebnisse einer kürzlich durchgeführten spektroskopischen Untersuchung von Propanol wurden für die Suche nach den Iso- und Normalisomeren des Propanolmoleküls im heißen Molekülkern Sgr B2(N2) in der Nähe des galaktischen Zentrums verwendet. Die interferometrischen Spektren wurden unter der Annahme eines lokalen thermodynamischen Gleichgewichts analysiert. Das Reaktionsnetzwerk des astrochemischen Modells MAGICKAL wurde erweitert, um die Bildungswege von Propanol zu erforschen und die Beobachtungsergebnisse in einen breiteren astrochemischen Kontext zu stellen.

Das Forschungsteam setzt sich zusammen aus Arnaud Belloche, Robin T. Garrod, Oliver Zingsheim, Holger S. P. Müller und Karl M. Menten in der Veröffentlichung zur Entdeckung von Iso-Propanol sowie Oliver Zingsheim, Jakob Maßen, Holger S. P. Müller, Bettina Heyne, Mariyam Fatima, Luis Bonah, Arnaud Belloche, Frank Lewen und Stephan Schlemmer in der Veröffentlichung zur Laborspektroskopie.

Originalveröffentlichungen
Interstellar detection and chemical modeling of iso-propanol and its normal isomer
Belloche, A. et al., 2022, Astronomy & Astrophysics, 28. Juni 2022 (DOI: 10.1051/0004-6361/202243575).
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2022/06/aa43575-22/aa43575-22.html
Rotational spectroscopy of n-propanol: Aa and Ag conformers
Zingsheim, O. et. al., 2022, Astronomy & Astrophysics, 28. Juni 2022 (DOI: 10.1051/0004-6361/202243571)
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2022/06/aa43571-22/aa43571-22.html

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• Radioastronomie

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Quelle: Max-Planck-Institut für Physik.

14. April 2022 – Licht an, Licht aus – so könnte man das Verhalten der Nova beschreiben, die auf den Namen RS Ophiuchi (RS Oph) hört. Alle etwa 15 Jahre kommt es im Sternbild des Schlangenträgers zu einer dramatischen Explosion. Geburtsort einer Nova sind Systeme, in denen zwei sehr unterschiedliche Sterne in einer parasitären Paarbeziehung leben: Ein weißer Zwerg, ein kleiner, ausgebrannter und ungeheuer dichter Stern – ein Teelöffel seiner Materie wiegt ungefähr 1 Tonne – umkreist einen roten Riesen, einen alten Stern, der bald verglühen wird.

Der sterbende Riesenstern füttert den Weißen Zwerg mit Materie: Er stößt seine äußere Wasserstoffschicht ab, das Gas strömt auf den nahen Weißen Zwerg. Dieser Materiefluss hält an, bis der Winzling sich „überfrisst“ und zu heiß wird. Die Temperatur und der Druck in den neu gewonnen Sternhüllen sind dann so groß, dass sie in einer gigantischen thermonuklearen Explosion weggeschleudert werden. Der Zwergstern bleibt dabei erhalten und der Kreislauf beginnt von Neuem – bis sich das Spektakel wiederholt.

Explosion im hohen Energiebereich
Dass bei solchen Explosionen hohe Energien im Spiel sind, war vermutet worden. Die beiden MAGIC-Teleskope zeichneten Gammastrahlen mit dem Wert von 250 Gigaelektronenvolt (GeV) auf, mit die höchsten Energien, die je bei einer Nova gemessen wurden. Zum Vergleich: Die Strahlung ist hundert Milliarden Mal energiereicher als das sichtbare Licht.

MAGIC beobachtete die Nova nach Meldungen von Instrumenten, die auf andere Wellenlängen spezialisiert sind. „Der dramatische Ausbruch der Nova RS-Oph zeigt, dass sich die kurze Reaktionszeit der MAGIC-Teleskope auszahlt: Sie brauchen höchstens 30 Sekunden, um sich auf ein neues Ziel auszurichten“, sagt David Green, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik und einer der Autoren der Beitrags.

Nach der Explosion breiteten sich mehrere Stoßfronten im Sternwind des Roten Riesen und im interstellaren Medium aus, welches das Doppelstern-System umgibt. Diese Schockwellen sind ein natürlicher Teilchenbeschleuniger, also ein riesiges Kraftwerk, das Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit bringt. Die kombinierten Messdaten legen nahe, dass die Gammastrahlen von energiereichen Protonen, Kernen von Wasserstoffatomen, ausgehen.

Beschleunigte Protonen Teil der kosmischen Strahlung
„Damit kommen Nova-Ausbrüche auch als Quelle für die kosmische Strahlung in Frage“, erklärt David Green. „Allerdings spielen sie dabei eher die Rolle von Lokalmatadoren. Das heißt, sie tragen nur in ihrer unmittelbaren Umgebung zur kosmischen Strahlung bei. Die Hauptakteure der kosmischen Strahlung sind Supernova-Überreste. Die Schockwellen, die von dieser Art Sternexplosion ausgehen, sind bedeutend heftiger als bei einer Nova.“

Um das komplizierte Zusammenspiel von energiereichen Himmelsereignissen und dem interstellaren Medium in der Milchstraße vollständig zu verstehen, brauchen wir weitere Beobachtungen wie die aktuell veröffentlichten. Die MAGIC-Kollaboration wird daher auch in Zukunft Ausschau nach „unruhigen“ Objekten in unserer Galaxie – und darüber hinaus – halten.

Publikation
Proton acceleration in thermonuclear nova explosions revealed by gamma rays
The MAGIC Collaboration
Nature Astronomy
DOI: 10.1038/s41550-022-01640-z
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01640-z

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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

9. April 2021 – Die niederländische Astronomin Ewine van Dishoeck (Universität Leiden, Niederlande und MPE Garching) hat zusammen mit einem internationalen Team einen Übersichtsartikel verfasst, der den Weg des Wassers im interstellaren Raum in bisher nicht bekannter Genauigkeit nachzeichnet. Die Erkenntnisse basieren im Wesentlichen auf Beobachtungen des Herschel-Weltraumobservatorium der ESA, das von 2009 bis 2013 im Einsatz war. Der Artikel, der in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde, fasst die gewonnenen Erkenntnisse zusammen und liefert neue Informationen über den Ursprung von Wasser auf neuen, möglicherweise bewohnbaren Welten.

Wie und wo entsteht Wasser im interstellaren Raum? Wie gelangt es schließlich auf Planeten wie der Erde? Diese Fragen waren vor zehn Jahren noch nicht gut verstanden. Ein Grund besteht darin, dass Beobachtungen mit bodengebundenen Teleskopen durch den Wasserdampf in unserer eigenen Atmosphäre beeinflusst werden. Im Jahr 2009 startete die ESA das Weltraumteleskop Herschel, das im fernen Infrarotbereich beobachten konnte und bis 2013 im Einsatz war. Eines der Hauptziele von Herschel war die Erforschung von Wasser im Weltraum. In den letzten Jahren wurden Dutzende von wissenschaftlichen Artikeln veröffentlicht, die auf Daten von Herschel über Wasser basieren. Nun wurden diese Ergebnisse zusammengefasst und um neue Erkenntnisse erweitert.

Der neue Übersichtsartikel beschreibt den Weg des Wassers während des gesamten Sternentstehungsprozesses, einschließlich der Zwischenstadien, die bisher wenig Beachtung gefunden hatten. Das meiste Wasser bildet sich als Eis auf winzigen Staubpartikeln in kalten und dünnen interstellaren Wolken vor der Sternentstehung, wie eine Arbeit, die von MPE-Direktorin Paola Caselli geleitet wurde, zeigte. Kollabiert eine solche Wolke zu neuen Sternen und Planeten, bleibt dieses Wasser weitgehend erhalten und wird schnell in Staubpartikeln, die so groß wie Kieselsteine werden können, verankert. In der rotierenden Scheibe um den jungen Stern bilden diese Kieselsteine dann die Bausteine für neue Planeten.

Außerdem haben die Forscher berechnet, dass die meisten neuen Sonnensysteme mit genügend Wasser geboren werden, um mehrere tausend Ozeane zu füllen. Ewine van Dishoeck: „Es ist faszinierend zu erkennen, was in einem Glas Wasser steckt, das man trinkt. Die meisten dieser Moleküle entstanden vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren in der Wolke, aus der sich unsere Sonne und die Planeten gebildet haben.“

Viele der früheren Herschel-Ergebnisse konzentrierten sich auf heißen Wasserdampf, der in der Nähe von neu entstehenden Sternen deutlich sichtbar ist und reichlich produziert wird. Aber dieses heiße Wasser geht durch starke Ausströmungen des jungen Sterns ins All verloren. Während die Forscher den Übersichtsartikel verfassten, gewannen sie mehr und mehr Einblick in die Chemie des kalten Wasserdampfes und des Eises. So konnten sie beispielsweise zeigen, dass interstellares Eis Schicht für Schicht auf Staubpartikeln wächst. Diesen Schluss zogen sie aufgrund der schwachen Signale von schwerem Wasser (HDO und D2O statt H2O).

Für die Zukunft hoffen die Forscher, mehr Wasser im Universum untersuchen zu können, vor allem in gerade entstehenden Planetensystemen. Das könnte allerdings noch eine Weile dauern, da das nächste mit Herschel vergleichbare Weltraumteleskop frühestens im Jahr 2040 starten soll. Ewine van Dishoeck: „Es gab eine Chance, dass ein ‚Wasserteleskop‘ um 2030 ins All gehen würde, aber dieses Projekt wurde gestrichen. Das ist schade, aber es war ein zusätzlicher Grund für unser Team, den Übersichtsartikel über Wasser zu schreiben. Auf diese Weise haben wir ein kollektives Gedächtnis, wenn eine neue Mission ansteht.“

Außerdem wird Ende 2021 das James Webb Weltraumteleskop gestartet, mit dem in einer europäisch-amerikanischen Kollaboration gebauten MIRI-Instrument an Bord. Dieses soll in der Lage sein, warmen Wasserdampf in den innersten Zonen von Staubscheiben aufzuspüren und somit einen Teil des bisher unerreichbaren Wassers zu beobachten. Und die ALMA-Teleskope in Chile können vom Boden aus Wasserdampf im All beobachten. Dazu gehört auch Wasser in fernen Galaxien, das sich bei im Vergleich zur Erdatmosphäre verschobenen Wellenlängen beobachten lässt.

Über das Herschel-Weltraumteleskop
Herschel war ein Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), das in Zusammenarbeit mit der NASA gebaut wurde. Seine Instrumente HIFI und PACS wurden für die Wasserforschung eingesetzt. HIFI wurde von einem Konsortium von Instituten und Universitätsabteilungen aus ganz Europa, Kanada und den Vereinigten Staaten unter der Leitung des SRON Netherlands Institute for Space Research, Niederlande, entwickelt und gebaut, mit wichtigen Beiträgen aus Deutschland, Frankreich und den USA. Das PACS-Instrument wurde von einem Konsortium von Instituten und Universitäten aus ganz Europa unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Deutschland entwickelt. Ewine van Dishoeck leitete die Wasserforschung im Rahmen des WISH-Programms.

Originalveröffentlichung
Ewine F. van Dishoeck et al.
Water in star-forming regions: physics and chemistry from clouds to disks as probed by Herschel spectroscopy
Accepted for publication in Astronomy & Astrophysics, 2021
Source: https://arxiv.org/abs/2102.02225

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