Quelle: Eberhard Karls Universität Tübingen 11. Oktober 2023.

11. Oktober 2023 – Sonnenähnliche Sterne beenden ihr Leben als Weißer Zwerg. Manche davon sind von einem planetarischen Nebel umgeben, der aus Gas besteht, das der sterbende Stern kurz vor seinem Tod abgestoßen hat. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Professor Klaus Werner vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen untersuchte jetzt erstmals einen Zentralstern eines planetarischen Nebels, der sich in einem offenen Sternhaufen befindet. Die Forscherinnen und Forscher konnten die Masse, die der Zentralstern im Laufe seines Lebens verloren hat, exakt bestimmen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

In unserer Milchstraße gibt es mehr als tausend offene Sternhaufen. Jeder von ihnen umfasst eine Ansammlung von bis zu einigen Tausend Sternen, die gleichzeitig aus einer dichten Wolke von Gas und Staub entstanden sind. „Dass die Sterne eines Haufens alle das gleiche Alter haben, hat für die Astrophysik eine besondere Bedeutung“, berichtet Klaus Werner. Sie unterschieden sich lediglich in ihrer Masse. „Je massereicher ein Stern ist, desto schneller verbraucht er seinen Kernbrennstoff durch die Fusion von Wasserstoff zu Helium. Desto kürzer ist auch sein Leben und desto schneller die Entwicklung zum Weißen Zwerg“, erklärt er.

Momentaufnahme der Entwicklung
Die Beobachtung eines Sternhaufens zeige wie ein Schnappschuss, wie weit entwickelt Sterne unterschiedlicher Masse im jeweils gleichen Alter zu einem bestimmten Zeitpunkt sind, sagt Werner: „In der Astronomie lassen sich Sternhaufen als eine Art Labor nutzen, in dem wir messen können, wie zuverlässig unsere Theorien der Sternentwicklung sind.“ Eine der größten Unsicherheiten in der Theorie der Sternentwicklung sei bisher die Frage, wie viel Materie ein Stern im Laufe seines Lebens verliert. Dieser Massenverlust sei erheblich. „Sterne wie unsere Sonne verlieren knapp die Hälfte ihrer Masse, bis sie sich zum Weißen Zwerg entwickelt haben. Sterne mit der achtfachen Masse der Sonne verlieren sogar rund 80 Prozent ihrer Masse“, sagt der Astrophysiker. Die Beziehung zwischen der Geburtsmasse der Sterne und der Masse zum Zeitpunkt des Todes als Weißer Zwerg bezeichnet man in der Astronomie als die Anfangs-Endmassen-Relation.

Die Masse von Weißen Zwergen in Sternhaufen könne bei der Beobachtung direkt mit der Masse in Beziehung gesetzt werden, die diese bei ihrer Geburt hatten, berichtet Werner: „Ganz besonders aussagekräftig sind die Daten sehr junger Weißer Zwerge, genau das sind Zentralsterne planetarischer Nebel.“ Man kenne bisher nur drei Sternhaufen, die einen planetarischen Nebel enthalten. „Bisher war noch keiner von deren Zentralsternen untersucht worden, weil sie alle sehr weit entfernt und lichtschwach sind.“

Spezielle chemische Zusammensetzung
Das Forschungsteam hat nun eines der größten Teleskope der Welt, das Zehn-Meter-Teleskop GRANTECAN auf der Kanareninsel La Palma, auf den Zentralstern im Sternhaufen Messier 37 gerichtet und dessen Spektrum analysiert. Die Masse wurde auf 0,85 Sonnenmassen bestimmt und die ursprüngliche Masse auf 2,8 Sonnenmassen. „Der Stern hat also im Laufe seines Lebens 70 Prozent seiner Materie verloren“, erklärt Werner. Eine weitere Besonderheit sei seine spezielle chemische Zusammensetzung. Er habe keinen Wasserstoff mehr an der Oberfläche, was auf ein ungewöhnliches Ereignis in seiner jüngsten Vergangenheit hindeute: ein kurzzeitiges Wiederaufflammen der Kernfusion.

Die genaue Kenntnis der Anfangs-Endmassen-Relation ist von fundamentaler Bedeutung in der Astrophysik, sagt Werner. Sie entscheide darüber, ob ein Stern sich zum Weißen Zwerg entwickelt, in einer Supernova-Explosion zum Neutronenstern wird oder gar ein schwarzes Loch als Endstadium übrigbleibt. „Andererseits werden aus der ausgestoßenen Materie neue Sterngenerationen gebildet, die mit schweren Elementen als Produkte von Kernreaktionen angereichert sind. Davon hängt die chemische Entwicklung von Galaxien und letztendlich des gesamten Universums ab.“

Originalpublikation:
K. Werner, N. Reindl, R. Raddi, M. Griggio, L.R. Bedin, M.E. Camisassa, A. Rebassa-Mansergas, S. Torres, P. Goodhew: The unusual planetary nebula nucleus in the Galactic open cluster M37 and six further hot white dwarf candidates. Astronomy & Astrophysics, doi.org/10.1051/0004-6361/202347217.
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/10/aa47217-23/aa47217-23.html,
pdf: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2023/10/aa47217-23.pdf;

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• Planetarische Nebel

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 25. Juli 2023.

25. Juli 2023 – Insgesamt neun Institutionen aus sieben europäischen Ländern haben heute Morgen in Santa Cruz de Tenerife auf der spanischen Insel Teneriffa die Gründungurkunde der Stiftung „European Solar Telescope Canarian Foundation“ unterzeichnet. Die Stiftung verleiht dem Projektkonsortium die notwendige Rechtsform, ebnet den Weg für den künftigen Bau des European Solar Telescope (EST) und wird das Projekt in die nächste Entwicklungsphase führen. Die beteiligten Länder sind die Tschechische Republik, Deutschland, die Slowakei, Spanien, Schweden, die Schweiz und das Vereinigte Königreich. Deutschland beteiligt sich an EST durch das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS, Göttingen) und das Leibniz-Institut für Sonnenphysik (Freiburg), die seit dem Start des Projekts im Jahr 2008 beteiligt sind. Die Rolle des MPS konzentriert sich auf die Entwicklung der nächsten Generation spektropolarimetrischer Instrumente, sogenannter Integraler Feldeinheiten. Erst mit ihnen kann das volle Potenzial des EST zur Messung schneller und kleinräumiger Prozesse in der Sonnenatmosphäre ausgeschöpft werden.

Die vorläufige Entwurfsphase des Teleskops, finanziert durch das Programm „Horizon 2020“ der Europäischen Kommission, wurde kürzlich abgeschlossen. Die Gründung der EST-Stiftung ist nun ein entscheidender Meilenstein, das Projekt in Richtung Bauphase voranzutreiben. Eines der Hauptziele der Stiftung ist die Gründung eines Europäischen Forschungsinfrastruktur-Konsortiums (ERIC), in dem die nationalen Ministerien der Partnerländer zusammenarbeiten werden. Das EST-ERIC wird die juristische Person sein, die für die Überwachung aller Aspekte des Baus und des Betriebs dieser großen Forschungsinfrastruktur verantwortlich ist.

Das MPS geht mit seinem Beitritt zur EST-Stiftung einen bedeutenden Schritt. Die beteiligten Einrichtungen erhalten Entscheidungsbefugnis über alle künftigen wissenschaftlichen, technologischen und industriellen Aspekte des Projekts.

EST soll das größte jemals in Europa gebaute Sonnenteleskop werden. Mit einem Durchmesser des Primärspiegels von 4,2 Metern, modernster Technologie und spezialisierten Instrumenten wird das EST Astronom*innen ein konkurrenzloses Instrument zur Beobachtung der Sonne an die Hand geben. Das Sonnenteleskop wird im Observatorium Roque de los Muchachos auf der Insel La Palma (Spanien) gebaut, das weltweit als erstklassiger Standort für astronomische Beobachtungen bekannt ist.

EST wurde 2016 in den Fahrplan des Europäischen Strategieforums für Forschungsinfrastrukturen (ESFRI) aufgenommen und gilt daher als strategische Forschungsinfrastruktur für Europa. Eines der Hauptziele ist es, unser Verständnis der Sonne durch die Beobachtung ihrer Magnetfelder in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit zu verbessern. EST wird in der Lage sein, Signale zu messen, die derzeit im Rauschen verborgen sind, und die Existenz bisher unbekannter, winziger magnetischer Strukturen auf der Sonne aufzudecken. Durch das Untersuchen der magnetischen und dynamischen Kopplung der Sonnenatmosphäre wird EST wertvolle Erkenntnisse über die Mechanismen liefern, die Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen zugrunde liegen. Diese Phänomene bestimmen das so genannte Weltraumwetter, das einen starken Einfluss auf unsere technologische Gesellschaft hat.

Der optische Aufbau und die Instrumentierung von EST wurden sorgfältig konzipiert, um die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Atmosphärenschichten der Sonne zu erfassen. Darüber hinaus wird ein umfassender Satz von Instrumenten installiert, um gleichzeitige Beobachtungen bei verschiedenen Wellenlängen zu ermöglichen. Diese einzigartige Fähigkeit wird EST eine höhere Effizienz im Vergleich zu bestehenden oder zukünftigen Teleskopen verleihen, unabhängig davon, ob es sich um bodengebundene Teleskope oder solche im Weltraum handelt.

Das größte Sonnenteleskop in Europa ist eine technologische Herausforderung, die Europa nach ihrem Bau nicht nur in der Sonnenforschung und der Entwicklung von Instrumenten an die Spitze bringen wird, sondern auch bei der Verbesserung der Weltraumwettervorhersage. Dies kann helfen, die Auswirkungen von Sonneneruptionen auf unsere Gesellschaft zu mildern.

Weitere Informationen über das Projekt:
https://www.est-east.eu/.

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• EST – European Solar Telescope auf LaPalma

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Quelle: TU Dortmund.

19. April 2022 – Es handelt sich dabei um die erste Nova, bei der solch energiereiche Strahlungen nachgewiesen wurden. Das Ereignis könnte neue Erkenntnisse über diese Art von Explosionen und die mögliche Rolle liefern, die sie bei der Erzeugung der mysteriösen hochenergetischen kosmischen Strahlung spielen, die unsere Milchstraße durchdringt. Die Ergebnisse der Forscher*innen wurden jüngst in der renommierten Fachzeitschrift Nature Astronomy publiziert.

Wenn ein Stern stirbt, dehnt er sich zunächst zu einem Roten Riesenstern aus und kollabiert dann zu einer Sternenleiche, einem Weißen Zwerg. Dieser besteht aus einem sehr dichten Material: ein Teelöffel davon würde etwa eine Tonne wiegen. Unter bestimmten Umständen können diese Sternleichen noch einmal gigantische Explosionen hervorrufen: Wenn der Weiße Zwerg einen Begleiter hat, der seinerseits in die Phase des Roten Riesen übergeht, kann der Wasserstoff aus den ausgedehnten äußeren Schichten des Riesen der enormen Anziehungskraft des dichten Zwergs erliegen und sich auf dessen Oberfläche ansammeln. Der „tote“ Stern entzieht dem aktiven Stern also Gas und wird deshalb auch „Vampirstern“ genannt. Vereinzelt kann es in solchen Systemen sogar zu Kernexplosionen auf der Oberfläche kommen, die einen Großteil des Wasserstoffs und der Fusionsprodukte ins All schleudern. Da die Explosion extrem hell ist, wird der Vorgang auch „stella nova“ (neuer Stern, kurz „Nova“) genannt. In manchen Fällen wiederholt sich der Gastransfer und damit auch der Nova-Ausbruch. Das wird als wiederkehrende Nova bezeichnet.

Extrem energiereiche Gammastrahlen
Eine dieser wiederkehrenden Novae ist das Objekt RS Ophiuchi in unserer Milchstraße, für das die nächste Explosion im vergangenen Jahr erwartet worden war. Am 8. August 2021 konnten Teleskope dann tatsächlich das Licht der Explosion entdecken. Einen Tag später richteten Astronom*innen der MAGIC-Kollaboration, einem internationalen Zusammenschluss von rund 160 Wissenschaftler*innen, ihre Teleskope auf die laufende Eruption aus. Bei den Teleskopen handelt es sich um ein System aus zwei bildgebenden Luft-Tscherenkov-Teleskopen mit 17 m Durchmesser. Dank der guten Beobachtungsbedingungen auf La Palma und der einzigartigen Empfindlichkeit des MAGIC-Systems konnten bei der Nova extrem energiereiche Gammastrahlen nachgewiesen werden, die auf Beschleunigungen von Protonen zurückgeführt werden konnten. „Die Beobachtung von Himmelsobjekten bei derartig großen Energien öffnet einzigartige Fenster ins extreme Universum. Wir können so die Prozesse, bei denen im Universum Teilchen auf Energien beschleunigt werden, die deutlich größer sind als in irdischen Experimenten, im Detail studieren“, erklärt Dr. Dominik Elsässer von der Fakultät Physik und Mitglied im Lenkungsausschuss der MAGIC-Kollaboration.

Novaausbrüche sind für sich genommen weniger energiereich als ihre Schwestern – Supernovae, bei denen ein ganzer Stern in einer Explosion zerrissen wird – kommen aber viel häufiger vor. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Großteil der hochenergetischen kosmischen Strahlung, die die Milchstraße durchdringt, zwar wahrscheinlich aus anderen Quellen stammt, dass aber Novae anscheinend überraschend effizient lokale Regionen mit einer Überdichte an kosmischer Strahlung in ihrer Nachbarschaft erzeugen. Um solche explosiven Ereignisse vollständig zu verstehen, sind weitere Beobachtungen erforderlich. Die Arbeitsgruppen an der TU Dortmund beteiligen sich daran insbesondere mit Detektorsimulationen sowie der Entwicklung von intelligenter Analysesoftware. Seit Januar 2022 widmen sich außerdem Forschende der TU Dortmund, der Ruhr-Uni Bochum und der Universität Wuppertal im Sonderforschungsbereich (SFB) 1491 dem Verständnis der Vorgänge bei der kosmischen Wechselwirkung von verschiedenen Materieformen. „Erst das interdisziplinäre Zusammenspiel aus Teilchenphysik, Astrophysik, Plasmaphysik und Datenwissenschaften macht fundamentale Durchbrüche möglich“, sagt Prof. Wolfgang Rhode, Professor für Astroteilchenphysik an der TU Dortmund und Co-Sprecher des SFB 1491.

Originalpublikation:
Proton acceleration in thermonuclear nova explosions revealed by gamma rays
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01640-z
DOI: 10.1038/s41550-022-01640-z

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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