Quelle: Universität Stuttgart.

18. März 2022 – In den nächsten zwei Wochen wird die fliegende Sternwarte von dort aus mit FIFI-LS, dem Ferninfrarotspektrometer der Universität Stuttgart, Himmelsobjekte beobachten, die nur von der südlichen Hemisphäre aus zu sehen sind.

Im Rahmen des Langzeitprojektes LMC+ soll von Chile aus die Sternentstehungsrate in der Großen Magellansche Wolke (Large Magellanic Cloud, LMC) untersucht werden, die zusammen mit der Kleinen Magellanschen Wolke zu den direkten galaktischen Nachbarn unserer Milchstraße zählt. Mit dem FIFI-LS-Instrument soll SOFIA nun die erste Karte des ionisierten Kohlenstoffs in der LMC erstellen, der ein guter Indikator für die Sternentstehungsrate in Galaxien ist. Als Zwerggalaxien mit einem geringeren Anteil schwerer Elemente gleichen die Magellanschen Wolken in gewisser Weise den ersten Galaxien, die sich in unserem Universum gebildet haben. Da die LMC unserer eigenen Galaxie so nahe ist, können Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen sie mit SOFIA sehr detailliert untersuchen und so auch Rückschlüsse auf die kleinskaligen physikalischen Strukturen in weit entfernten Galaxien ableiten. SOFIA hilft auf diese Weise Beobachtungen von Phänomenen zu erklären, die wegen der Rotverschiebung von Galaxien in großen Entfernungen, mit großen Radioteleskopen, wie ALMA gemacht werden.

„Die Chilenische und die Deutsche Astronomische Gemeinschaft verbindet eine lange Tradition, nicht nur weil die Europäische Südsternwarte (ESO) ihre Teleskope in Chile stationiert und ihren Hauptsitz in Garching bei München hat“, so Alfred Krabbe, Leiter des Deutschen SOFIA Instituts (DSI) der Universität Stuttgart, welches den SOFIA-Betrieb auf deutscher Seite koordiniert und sicherstellt. „An dem LMC+ Programm sind deutsche Astronomen ebenso beteiligt wie auch Monica Rubio, Professorin für Astronomie der Universität von Chile“, so Krabbe.

Frühere Beobachtungskampagnen von der Südhalbkugel – zum Beispiel von Neuseeland oder Französisch-Polynesien aus – nahmen üblicherweise mehr als 5 Wochen in Anspruch. Dieser erste Besuch von SOFIA in Chile ist im Vergleich dazu ein Kurzeinsatz, da dieses Mal mit FIFI-LS nur ein Instrument geflogen wird und nur acht Flüge geplant sind.

„Bei diesem Kurzeinsatz in Chile ist der logistische Aufwand für das SOFIA Team deutlich reduziert und wir steigern so die Effizienz unseres Observatoriums“, sagt Michael Hütwohl, Leiter des DSI-Teams in Palmdale, Kalifornien, wo SOFIA normalerweise stationiert ist. „Mit insgesamt zehn Personen werden wir vor Ort in Chile dafür sorgen, dass Teleskop und Instrument einwandfrei funktionieren.“

Zusätzlich zu den Beobachtungen der Großen Magellanschen Wolke wird SOFIA unter anderem versuchen, den Lithiumgehalt im frühen Universum zu messen. Dazu will das SOFIA-Team den Halo unserer eigenen Galaxie untersuchen, in dem sich Wolken aus neutralem Wasserstoff befinden. Seit ihrer Entstehung sind diese Wolken relativ ungestört und geben somit einen direkten Hinweis auf die Eigenschaften des ursprünglichen Gases, das im frühen Universum existiert hat. Da es eine erhebliche Diskrepanz zwischen der nach der Urknalltheorie vorhergesagten Lithiumhäufigkeit zu bisherigen astronomischen Messungen gibt, könnte sich eine erfolgreiche Lithium Beobachtung durch SOFIA auf unser Verständnis der fundamentalen Physik und des frühen Universums auswirken.

Außerdem soll SOFIA zum Beispiel die kompakte Sternentstehungsgalaxie NGC 4254 beobachten, um in Kombination mit vorhandenen Daten anderer Observatorien ein genaues Bild des komplexen interstellaren Mediums zu erstellen.

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 Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente ist finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

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Ein Beitrag von Hans Lammersen. Quelle: sciendedaily.com.

Die 170 000 Lichtjahre entfernte Große Magellansche Wolke (engl.: Large Magellanic Cloud = LMC) ist eine der beiden Satellitengalaxien unserer Milchstraße. Sie ist, so wie ihr kleinerer Pendant, die Kleine Magellansche Wolke (engl.: Small Magellanic Cloud = SMC), von Mitteleuropa aus nicht zu beobachten, weil sie am Südhimmel steht. Es handelt sich bei beiden um irreguläre Zwerggalaxien, wobei die LMC mit 15 Milliarden Sternen dreimal mehr Sterne enthält als die SMC.

Nach den Analysen der Wissenschaftler brauchen die Sterne der LMC 250 Millionen Jahre, um das Zentrum zu umrunden. Die Erde braucht für eine Umkreisung des Kerns der Milchstraße in etwa die gleiche Zeit.

Bisher wurden die Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien durch Messung des Dopplereffekts auf zwei gegenüberliegenden Seiten einer ausgewählten Galaxie bestimmt. Die Sterne auf der einen Seite kommen uns scheinbar entgegen, und daher ist ihr Spektrum ins Blaue verschoben, während die Sterne auf der anderen Seite sich durch die Rotation scheinbar von uns entfernen, wodurch ihr Spektrum ins Rote verschoben ist. Nun kann man diese Messungen ergänzen durch die Seitwärtsbewegungen der Sterne und erreicht damit eine höhere Genauigkeit.

Das Team beobachtete für die Studie Sterne in 22 Bereichen und nutzte zwei Kameras des Hubble-Teleskops: Die Wide Field Camera 3 und die Advanced Camera für Surveys. Jedes der beobachteten Felder enthielt nicht nur dutzende von Sternen, sondern auch einen Quasar im Hintergrund, den die Astronomen benötigten um einen Fixpunkt zu haben, an dem sie die Bewegung der Vordergrundsterne der LMC messen konnten. Denn diese Bewegung ist extrem klein und daher schwer zu erkennen, so dass man schon das Hubble-Teleskop nehmen musste um überhaupt Erkenntnisse gewinnen zu können.

Obwohl die Große Magellansche Wolke 170.000 Lichtjahre entfernt ist, nimmt sie am südlichen Himmel einen Raum vom 20-fachen Vollmonddurchmesser ein. Sie umkreist auch als Ganzes unsere Milchstraße, allerdings nach den neuen Erkenntnissen schneller als bisher angenommen. Die Ergebnisse dieser langjährigen Studie sind wichtig, um weitere Einblicke in die Entwicklung der Sterne und Galaxien zu bekommen.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESO, Nature.

In der unmittelbaren kosmischen Nachbarschaft zu unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, befinden sich zahlreiche Zwerggalaxien, welche die deutlich größere und entsprechend massereichere Heimatgalaxie dabei teilweise umrunden. Bei einer dieser Galaxien handelt es sich um die „Große Magellansche Wolke“, welche auch unter der englischen Bezeichnung „Large Magellanic Cloud“ (LMC) bekannt ist. Mit einer visuellen Helligkeit von 0,9 mag kann sie bereits mit dem bloßen Auge beobachtet werden.

Allerdings muss sich der interessierte Betrachter dazu auf der südlichen Erdhalbkugel befinden, denn nur von dort aus können die beiden Sternbilder Schwertfisch und Tafelberg beobachtet werden. Die Große Magellansche Wolke befindet sich im Grenzbereich zwischen diesen beiden Sternbildern. Erstmals schriftlich erwähnt wurde sie im Jahr 964 von dem persischen Astronomen Al Sufi in dessen „Buch der Fixsterne“. Der erste Europäer, welcher die Wolke beschrieb, war der portugiesische Seefahrer Ferdinand Magellan, der die LMC während seiner in den Jahren 1519 bis 1521 erfolgten Weltumseglung beobachten konnte.

Die Große Magellansche Wolke erweckt auch in der Gegenwart immer noch das Interesse der Astronomen. So hat zum Beispiel während des vergangenen Jahrhunderts die Bestimmung der genauen Entfernung der LMC eine Schlüsselrolle in der extragalaktischen Astronomie eingenommen. Die dabei erreichten Messresultate unterlagen allerdings einem relativ hohen Unsicherheitsfaktor, was zur Folge hatte, dass der Wert der Entfernung zwischen dieser irregulären Zwerggalaxie und unserer Galaxie mit etwa 143.000 bis 166.000 Lichtjahren angegeben wurde.

Die Entfernungsbestimmung im Universum
Für die Bestimmung der Entfernungen von weit weg liegenden Objekten im Universum zu unserer Galaxie ermitteln Astronomen zunächst die Entfernungen zu relativ nahegelegenen Objekten, welche über eine bekannte Leuchtkraft verfügen. Diese Standardkerzen werden anschließend verwendet, um die Abstände zu noch weiter entfernten Objekten im Universum zu bestimmen. Da weiter entfernte Objekte des gleichen Typs lichtschwächer erscheinen als näher gelegene, können Astronomen durch die Messung der beobachteten Helligkeit ihre Entfernung ableiten. Beispiele für solche Standardkerzen sind unter anderem Supernovae vom Typ Ia und eine besondere Klasse der Veränderlichen Sterne.

Bei diesen sogenannten Cepheiden handelt es sich um helle, instabile Sterne, welche pulsieren und daher periodisch ihre Helligkeit verändern. Zwischen der Pulsationsdauer und der Leuchtkraft existiert ein eindeutiger Zusammenhang. Cepheiden mit einer kurzen Pulsationsdauer sind weniger leuchtkräftig als solche mit einer langen Pulsationsdauer. Diese Perioden-Leuchtkraft-Beziehung der Cepheiden ermöglicht ihre Verwendung als Standardkerzen, um die Entfernung zu nahegelegenen Galaxien zu bestimmen.

Der Helligkeitsverlust hängt dabei in bekannter Weise von der Distanz der Lichtquelle ab. Je weiter sich deren Heimatgalaxie von unserem System entfernt befindet, desto lichtschwächer erscheinen diese Cepheidensterne dem irdischen Beobachter. Die Schwierigkeit bei diesem Verfahren liegt in der genauen Kalibrierung der Entfernungsskala. Hierzu werden üblicherweise besonders nahegelegene Exemplare dieses Sternentyps noch mit zusätzliche Messmethoden vermessen.

Die gesamte Kette der kosmischen Entfernungsskala ist allerdings nur so präzise wie ihr schwächstes Glied. Bis vor kurzem ist es den Astronomen zum Beispiel nicht möglich gewesen, die Entfernung der Großen Magellanschen Wolke exakt zu bestimmen. Da die in dieser Zwerggalaxie beheimateten Sterne jedoch dazu verwendet werden, um die Entfernungen zu noch weiter entfernten Galaxien festzulegen, ist ihre exakte Entfernung von sehr großer Bedeutung für die Astronomie.

Nach fast einem Jahrzehnt intensiver Arbeit konnte ein internationales Astronomenteam jetzt mittels der sorgfältigen Analysen der Beobachtungen einer seltenen Klasse von Doppelsternen einen präzisen Wert für die Entfernung der Großen Magellanschen Wolke zur Milchstraße ermitteln. Für ihre Forschungen beobachteten die Astronomen eng beieinander stehende Doppelsterne – sogenannte bedeckungssveränderliche Sterne. Während ihres gegenseitigen Umlaufs kann beobachtet werden, wie die Sterne jeweils vor ihrem Partner vorbeiziehen. Von der Erde aus betrachtet nimmt im Rahmen dieser gegenseitigen Bedeckungen die Gesamthelligkeit des Systems in periodischen Zyklen ab und dann wieder zu.

Der exakte Verlauf der Helligkeitsveränderungen hängt von verschiedenen Faktoren ab. Durch eine sorgfältige Messung der Helligkeitskurve bei einer gleichzeitig erfolgenden Bestimmung der Umlaufgeschwindigkeit können die Größe der Sterne, deren Masse und weitere Informationen über ihre Umlaufbahnen ermittelt werden. Kombiniert man diese Informationen mit der Gesamthelligkeit und den Spektren der Sterne, welche in nahinfraroten Wellenlängenbereichen des Lichts bestimmt werden, so lässt sich die Entfernung dieser Bedeckungsveränderlichen sehr genau berechnen.

163.000 Lichtjahre

Laut der Resultate dieser Arbeit befindet sich die Große Magellansche Wolke demzufolge in einer Entfernung von 163.000 Lichtjahren.

„Ich freue mich sehr, dass uns das gelungen ist“, so Wolfgang Gieren von der Universidad de Concepción in Chile, einer der Leiter des internationalen Teams. „Einhundert Jahre lang haben Astronomen versucht, die Entfernung zur Großen Magellanschen Wolke so genau wie möglich zu messen. Es hat sich als unglaublich schwer herausgestellt. Jetzt haben wir dieses Problem endlich lösen können, und das mit einem Ergebnis, das auf zwei Prozent genau ist.“

Die für die Untersuchung verwendete Methode kam zwar bereits zuvor zum Einsatz, hatte allerdings immer nur relativ „heiße“ Sterne zum Ziel. Hierbei konnten jedoch aufgrund von Unsicherheiten bezüglich der physikalischen Natur dieser Sterne viele der benötigten Parameter nur annähernd bestimmt werden, so dass die Astronomen mit vielen nicht eindeutig bekannten Faktoren arbeiten mussten, was wiederrum zur Folge hatte, dass die Werte für die dabei ermittelte Entfernung relativ unpräzise ausfielen.

Kürzlich konnten die Astronomen jedoch erstmals acht extrem seltene bedeckungsveränderliche Doppelsysteme identifizieren, bei denen es sich bei beiden Sternen um relativ kühle Rote Riesen handelt. Diese Sterne wurden bei der Durchmusterung der rund 35 Millionen Sterne der Großen Magellanschen Wolke durch das OGLE-Projekt entdeckt und in der Folgezeit sorgfältig untersucht. Diese Doppelsternsysteme liefern besonders genaue Entfernungswerte, was eine Bestimmung der Entfernung mit einem Unsicherheitsfaktor von nur noch zwei Prozent ermöglicht.

Für ihre Untersuchungen nutzten die beteiligten Astronomen unter anderen auch mehrere Instrumente der Europäischen Südsternwarte (ESO) in den chilenischen Anden. „Die ESO hat genau die Teleskope und Instrumente, die man für dieses Projekt benötigt: Den HARPS-Spektrografen für hochpräzise Radialgeschwindigkeitsmessungen auch schwacher Sterne und SOFI für Helligkeitsmessungen im Infraroten“, so Grzegorz Pietrzyński von der Universidad de Concepción in Chile und dem polnischen Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Warszawskiego.

Noch besseren Aussagen über die kosmischen Entfernungen
Diese deutliche Verbesserung der Entfernungsangabe, frühere Messungen wiesen einen Fehlerwert von bis zu zehn Prozent auf, führt auch zu genaueren Entfernungswerten für die in der LMC beheimateten Cepheidensterne. Darauf basierend können zukünftig auch präzisere Aussagen über die Entfernungen von noch weiter entfernt gelegenen Galaxien getätigt werden. Dies wiederum hat Auswirkungen auf die Bestimmung der Hubble-Konstante, mit welcher die derzeitige Expansionsrate des Universums ermittelt wird. Die Hubble-Konstante wiederum ist die Grundlage für die Durchmusterung des Universums bis hin zu den fernsten Galaxien, welche mit den heutigen Teleskopen zu beobachten sind.

Die jetzt bekannte präzise Entfernung der Großen Magellanschen Wolke reduziert damit auch die Ungenauigkeit der derzeitigen Messungen kosmologischer Entfernungen. Dies wiederum könnte Auswirkungen auf die Erforschung der bisher nur hypothetisch angenommenen dunklen Energie haben, mit der die beobachtete beschleunigte Expansion des Universums allgemein erklärt wird.

Die hier kurz vorgestellten Ergebnisse von Grzegorz Pietrzyński et al. wurden am 7. März 2013 unter dem Titel „An eclipsing binary distance to the Large Magellanic Cloud accurate to 2 per cent“ in der Fachzeitschrift Nature publiziert. „Wir arbeiten daran, die Methode weiter zu verbessern und hoffen so, innerhalb weniger Jahre auf eine Unsicherheit von nur noch einem Prozent für die Entfernung der Großen Magellanschen Wolke zu kommen. Das hätte nicht nur weitreichende Auswirkungen für die Kosmologie, sondern für viele Bereiche der Astronomie“, so Dariusz Graczyk, der Zweitautor des Nature-Artikels.

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Fachartikel von Grzegorz Pietrzyński et al.:

• An eclipsing binary distance to the Large Magellanic Cloud accurate to 2 per cent (engl.)

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