Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

1838 gewann Friedrich Wilhelm Bessel das Wettrennen um die Messung der ersten Entfernung zu einem anderen Stern mit Hilfe der trigonometrischen Parallaxe – und legte damit die erste Entfernungsskala des Universums fest.

Nun haben Mark Reid und Karl Menten, die sich mit Parallaxenmessungen bei Radiowellenlängen beschäftigen, Bessels Originalveröffentlichungen über „seinen“ Stern 61 Cygni, die seinerzeit in der Fachzeitschrift „Astronomischen Nachrichten“ veröffentlicht wurden, wieder aufgegriffen. Obwohl sie im Allgemeinen die Ergebnisse reproduzieren konnten, die Bessel und zwei anderen Astronomen des 19. Jahrhunderts, Friedrich Georg Wilhelm von Struve und Thomas Henderson, erzielt hatten, fanden sie heraus, warum einige dieser frühen Ergebnisse statistisch gesehen nicht mit modernen Messungen übereinstimmen.

Zum Andenken an Bessel beschlossen Reid und Menten, ihre Ergebnisse ebenfalls in den Astronomischen Nachrichten zu veröffentlichen. Im Jahre 1821 gegründet, war dies eine der ersten astronomischen Zeitschriften der Welt und sie bleibt die älteste, die noch immer erscheint.

Bestimmungen der Entfernung zu astronomischen Objekten sind von grundlegender Bedeutung für die gesamte Astronomie und für die Einordnung unseres Platzes im Universum. Die alten Griechen stellten die unbeweglichen „Fixsterne“ in weit größere Ferne als die Himmelskugeln, auf denen die Planeten ihrer Bewegungen vollzogen. Die Frage „Wie viel weiter?“ entzog sich jedoch noch Jahrhunderte lang einer Antwort, nachdem Astronomen begonnen hatten, sich mit ihr auseinanderzusetzen. Die Dinge spitzten sich Ende der 1830er Jahre zu, als sich drei Astronomen unabhängig voneinander auf jeweils einen Stern konzentrierten und dazu viele Nächte an ihrem Teleskop verbrachten, oft unter schwierigen Bedingungen. Es war Friedrich Wilhelm Bessel, der 1838 das Rennen gewann, indem er verkündete, dass die Entfernung zum Doppelsternsystem 61 Cygni im Sternbild Schwan 10,4 Lichtjahre beträgt. Dies bewies, dass Sterne nicht nur geringfügig weiter von uns entfernt sind als die Planeten im Sonnensystem, sondern mehr als eine Million Mal weiter. Das war ein wahrhaft transformatives Ergebnis, das den Maßstab des Universums, wie es im 19. Jahrhundert bekannt war, völlig veränderte.

Bessels Messung basierte auf der Methode der trigonometrischen Parallaxe. Dies ist im Wesentlichen eine Triangulation, wie sie von Vermessungsingenieuren zur Bestimmung von Entfernungen im Land verwendet wird. Astronomen messen die scheinbare Position eines „nahen“ Sterns gegenüber viel weiter entfernten Sternen über ein ganzes Jahr hinweg, wobei sie ihre Messungen an verschiedenen Punkten der Erdumlaufbahn um die Sonne durchführen.

Bessel musste seine akribischen Messungen über fast 100 Nächte an seinem Teleskop durchführen. Heutzutage sind Astronomen sehr viel „effizienter“. Die Gaia-Weltraummission misst genaue Entfernungen für Hunderte von Millionen von Sternen, mit großen Auswirkungen für die gesamte Astronomie. Wegen des interstellaren Staubes in den Spiralarmen unserer Milchstraße hat Gaia jedoch Schwierigkeiten, Sterne innerhalb der galaktischen Ebene zu beobachten, die weiter von der Sonne entfernt sind als etwa 10.000 Lichtjahre – das sind nur 20% der Größe der Milchstraße von mehr als 50.000 Lichtjahren. Daher wird selbst ein so fundamentales und umfangreiches Projekt wie Gaia nicht den grundlegenden Grundriss unserer Galaxie liefern können, von dem viele Aspekte noch lebhaft diskutiert werden. Es ist sogar noch ungewiss, wie viele Spiralarme es in unserer Milchstraße gibt.

Um die Struktur und Größe der Milchstraße besser zu verstehen, initiierten Mark Reid vom Center for Astrophysics | Harvard-Smithsonian und Karl Menten vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) ein Projekt zur Bestimmung der Entfernungen zu Radioquellen, die in den Spiralarme der Milchstraße sitzen. Das dafür bestgeeignete Teleskop ist das Very Long Baseline Array, ein Netzwerk von 10 Radioteleskopen, das sich von Hawaii im äußersten Westen bis zu den Virgin Islands im Osten der USA erstreckt. Durch die Kombination der Signale aller 10 Teleskope, die Tausende von Kilometern voneinander entfernt sind, erhält man Bilder, die zeigen, was man sehen könnte, wenn unsere Augen für Radiowellen empfindlich wären und einen Abstand von fast der Größe der Erde voneinander hätten.

Dieses Projekt wird von einem internationalen Team durchgeführt, wobei Wissenschaftler des MPIfR wesentliche Beiträge leisten – MPIfR-Direktor Karl Menten pflegt seit mehr als 30 Jahren eine fruchtbare Zusammenarbeit mit Mark Reid. Als zu Beginn des Projekts ein eingängiges Akronym diskutiert wurde, wählten sie den Namen „Bar and Spiral Structure Legacy Survey“, kurz BeSSeL. Natürlich hatten sie dabei den großen Astronomen und Mathematiker Friedrich Wilhelm Bessel, den Pionier der Messung von Sternparallaxen, im Sinn.

Wie in jeder experimentellen oder beobachtenden Wissenschaft erlangen Messungen nur dann Bedeutung, wenn ihre Unsicherheiten zuverlässig bestimmt werden können. Dies ist auch das alltägliche Brot der Radio-Astrometrie und wird von den Astronomen des BeSSeL-Projekts besonders beachtet. Zu Bessels Zeiten hatten die Astronomen gelernt, auf Messfehler zu achten und sie bei der Ableitung von Ergebnissen aus ihren Daten zu berücksichtigen. Dazu gehörten oft mühsame Berechnungen, die ausschließlich mit Bleistift und Papier durchgeführt wurden. Natürlich war ein Wissenschaftler von Bessels Kaliber sehr wohl bemüht, alle Probleme zu analysieren, die seine Beobachtungen möglicherweise beeinflussen könnten. So erkannte er, dass Temperaturschwankungen in seinem Teleskop die empfindlichen Messungen in kritischer Weise beeinflussen könnten. Bessel hatte in seiner Sternwarte in Königsberg in Preußen (dem heutigen russischen Kaliningrad) ein hervorragendes Instrument, das von dem genialen Instrumentenbauer Joseph Fraunhofer stammte und das letzte war, das dieser gebaut hatte. Die Temperaturschwankungen hatten einen großen Einfluss auf die für eine Parallaxenmessung erforderlichen Beobachtungen. Sie müssen über ein ganzes Jahr verteilt sein, wobei einige im heißen Sommer, andere in kalten Winternächten gemacht werden.

Mark Reid hatte damit begonnen, sich mit Bessels Originalarbeiten über 61 Cygni zu befassen. Er bemerkte einige kleine Ungereimtheiten in den Messungen. Um diese zu verstehen, begannen er und Karl Menten, sich tiefer in die Originalliteratur einzugraben. Bessels Veröffentlichungen erschienen im Original in Deutsch, in Astronomische Nachrichten, obwohl einige in Auszügen, ins Englische übersetzt, auch in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society herauskamen. Daher mussten die deutschen Originalfassungen analysiert werden, wobei sich die Tatsache als nützlich erwies, dass Mentens Muttersprache Deutsch ist.

Reid und Menten nahmen auch die Ergebnisse von Bessels Konkurrenten bei der Ermittlung von Sternparallaxen unter die Lupe. Thomas Henderson, der in Kapstadt, Südafrika, arbeitete, hatte α Centauri ins Visier genommen, die Hauptkomponente des, wie wir heute wissen, unserer Sonne nächstgelegenen Sternsystems. Kurz nachdem Bessel sein Ergebnis bekannt gegeben hatte, veröffentlichte Henderson eine Entfernung zu diesem Stern.

Der bedeutende Astronom Friedrich Georg Wilhelm von Struve vermaß α Lyrae (Wega). Die Literatursuche nach von Struves Daten erforderte einiges an Detektivarbeit. Ein detaillierter Bericht über seine Messungen wurde nur in lateinischer Sprache als Kapitel einer umfangreichen Monographie veröffentlicht. Der Bibliothekar des MPIfR verfolgte ein Exemplar bis zur Bayerischen Staatsbibliothek, die es in elektronischer Form zur Verfügung stellte. Es ist lange Zeit ein Rätsel gewesen, warum von Struve ein Jahr bevor Bessel sein Ergebnis für 61 Cygni mitteilte, eine vorläufige Entfernung zur Wega ankündigte, um sie später auf Grund weiterer Messungen auf den doppelten Wert zu revidieren. Es scheint, dass von Struve zunächst alle seine Messungen verwendet hat, aber am Ende das Vertrauen in einige davon verloren und diese verworfen hat. Hätte er dies nicht getan, hätte er wahrscheinlich mehr Anerkennung für sein Resultat erhalten.

Reid und Menten können im Allgemeinen die von allen drei Astronomen erzielten Ergebnisse reproduzieren, stellten jedoch fest, dass von Struve und Henderson einige ihrer Messunsicherheiten zu klein ansetzten, was ihre Parallaxen etwas aussagekräftiger erscheinen ließ, als sie es tatsächlich waren. „Bessel über die Schulter zu schauen, war eine bemerkenswerte Erfahrung und hat Spaß gemacht“, sagt Mark Reid. „Die Arbeit von Bessel und seiner Kollegen sowohl in einem astronomischen als auch in einem historischen Kontext betrachten zu können, war wirklich faszinierend“, schließt Karl Menten.

Hintergrundinformation
Das Prinzip der stellaren Parallaxe: Man möchte die Entfernung D zu einem nahen (Vordergrund-) Stern bestimmen. Im Laufe eines Jahres ändert sich die scheinbare Position dieses Sterns relativ zu den Positionen entfernter Hintergrundsterne und beschreibt eine Ellipse, die eine Projektion der Umlaufbahn der Erde um die Sonne ist. Ihre große Halbachse ist der Parallaxenwinkel π. Die Entfernung in „astronomischen Einheiten“ ist dann einfach durch D = 1/π gegeben. Eine astronomische Einheit, AE, die Entfernung Erde–Sonne, entspricht etwa 150 Millionen Kilometern. Die Entfernung, bei der ein Objekt eine Parallaxe von 1 Bogensekunde hätte, wird als 1 Parsec (pc) bezeichnet. Sie ist die von Astronomen verwendete grundlegende Entfernungseinheit und entspricht ca. 3,26 Lichtjahren bzw. 206.000 AE.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Parallaxenberechnung

Der Beitrag Parallaxen: Entfernungen von Sternen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DLR.

Vor fünf Jahren flog am 14. Juli 2015 die kleine US-Raumsonde New Horizons durch das entfernte Pluto-Charon-System. Während der Passage führte sie einzigartige wissenschaftliche Messungen durch und sandte aufsehenerregende Bilder zur Erde, die eine bewegte Vergangenheit und unerwartet dynamische Entwicklung des sonnenfernen Binärkörpersystems enthüllten. Ein Anlass, zum fünften Jahrestag des Plutovorbeiflugs eine Rückschau auf diese einzigartige raumfahrttechnische Meisterleistung und die wissenschaftlichen Erkenntnisse einer herausragenden Mission zur Erforschung von eisigen Himmelskörpern am äußeren Rand des Sonnensystems zu halten. Beim Radioexperiment REX auf New Horizons sind deutsche Planetenwissenschaftler beteiligt.

Als am 18. Februar 1930 der amerikanische Junior Astronom Clyde Tombaugh (1906-1997) am Lowell-Observatorium in Flagstaff, Arizona, ein lang gesuchtes Objekt, den suspekten Planeten X, jenseits des Neptun fand, hatte er die Entdeckung seines Lebens gemacht. Dieser neue, der neunte ‚Planet‘ und mit einem Durchmesser von knapp 2.400 Kilometern relativ kleine Himmelskörper, der bald darauf den Namen Pluto bekam, war jetzt gewissermaßen der planetare Außenposten unseres Sonnensystems – eine Rolle, die seit 1846 bisher Neptun innehatte. Und dies blieb Pluto bis zum Jahre 1992, als man auf dem hawaiianischen Mauna-Kea-Observatorium mit (15760) Albion ein noch weiter als Pluto entferntes transneptunisches Objekt (TNO) aufspürte, einen kleinen unregelmäßig geformten Körper mit nur 100 bis 150 Kilometer Durchmesser. In rascher Folge entdeckte man weitere TNOs, deren Zahl bis heute auf mehr als tausend angewachsen ist und die für Planetenforscher aufschlussreiche naturgeschichtliche Archive darstellen, aber auch zahlreiche neue Fragen zur Entstehungsgeschichte und Entwicklung des Sonnensystems aufwerfen.

Der lange Weg der NASA-Mission New Horizons vor dem Start und bis ans Ziel
Seit Plutos Entdeckung dauerte es rund ein halbes Jahrhundert, bis die NASA ins Auge fasste, den (Zwerg-)Planeten am Rande des Sonnensystems mit einer kleinen Raumsonde anzufliegen und zu erkunden. Dafür mit ausschlaggebend war gewiss auch die Entdeckung des Plutomondes Charon, der dem amerikanischen Astronomen James W. Christy am US Naval Observatory im Juni 1978 auf hochauflösenden Fotografien als eine Ausbuchtung des Plutoscheibchens auffiel und die periodisch in 6,4 Tagen um das Bildzentrum wanderte. Charon ist mit einem Durchmesser von 1.212 Kilometern und einem Achtel der Masse Plutos ein vergleichsweise großer und massereicher Trabant seines ‚Planeten‘, weshalb häufig vom Doppelkörpersystem Pluto-Charon gesprochen wird.

Doch erst im Dezember 2000 hatte sich ein Missionsvorschlag soweit konsolidiert, dass nicht nur in den Köpfen, sondern auch ‚mechanisch‘ eine Sonde fertig gebaut wurde: New Horizons – ein Name, der dem Leiter der Mission, Alan Stern, während einer Gebirgswanderung einfiel, als er seinen Blick von einem Berg zum Horizont schweifen ließ. Nach gut weiteren fünf Jahren war es dann soweit: New Horizons wurde am 19. Januar 2006 von Cape Canaveral aus zum Pluto gestartet. Im Juli 2015 erreichte die Sonde schließlich ihr Ziel; ein Start, knapp einen Monat später, hätte die Ankunft der Sonde um fünf Jahre (!) verzögert.

Masse, Beschleunigung, Astronomie: ein Wettlauf gegen die Zeit
Die unzähligen Schritte der Überzeugungsarbeit und vielfältigen Entscheidungen, bis eine Mission an der Spitze einer Trägerrakete auf dem Startplatz steht und der Countdown gezählt wird, sind meist schwieriger zu meistern, als die Planung und technische Umsetzung der wissenschaftlichen Experimente. Am Ende war es ein astronomischer Aspekt, der New Horizons schon am Boden ‚beschleunigte‘: Pluto hat eine stark exzentrische Sonnenumlaufbahn, deren sonnennächster Punkt bei 4,5 Milliarden Kilometern Entfernung liegt. Diesen hatte der Himmelskörper 1989 durchlaufen und sich seither wieder vom Zentralgestirn entfernt. Ihr sonnenfernster Punkt befindet sich nämlich in einer Distanz von 7,4 Milliarden Kilometern, und für einen Sonnenumlauf benötigt Pluto 248 Jahre. Eine weitere Verzögerung hätte also eine immer längere Reisezeit zu Pluto bedeutet, aber auch wissenschaftliche Einbußen mit sich gebracht. Denn mit zunehmender Entfernung zur Sonne wäre die hauchdünne Atmosphäre Plutos kondensiert und als Eis auf die Oberfläche gerieselt, hätte also nicht mehr untersucht werden können.

Um Pluto überhaupt erreichen zu können, durfte die Sonde nur sehr wenig Masse haben. Inklusive Treibstoff waren es keine 500 Kilogramm. Darüber hinaus wurde die Atlas-Trägerrakete mit einer zusätzlichen Schubstufe versehen, die New Horizons auf eine Fluchtgeschwindigkeit von 16,21 Kilometern pro Sekunde (58.356 km/h) beschleunigte, der höchsten Geschwindigkeit, mit der eine Raumsonde je die Erde verlassen hatte. Nach der neuneinhalb Jahre langen Reise, mit einem Swingby-Manöver am Riesenplaneten Jupiter zur weiteren Beschleunigung der Sonde, flog New Horizons dann vor fünf Jahren am 14. Juli 2015 um 13.50 Uhr MESZ, etwa 4,8 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt, in einer Distanz von weniger als einem Erddurchmesser über Plutos Oberfläche hinweg und an seinen Monden vorbei.

Das Kamel schießt durchs Nadelöhr: Durch die Bahnebene der Plutomonde
New Horizons musste fast senkrecht durch die Ebene fliegen, in der die Monde Charon, Nix, Hydra, Kerberos und Styx Pluto umkreisen. Bei der Planung war dies ein Aspekt großer Unsicherheit: Denn es hätten sich weitere, noch unentdeckte Monde oder Eis- und Gesteinsringe in dieser Ebene befinden können, die teleskopisch nicht entdeckt und zur Gefahr werden konnten. Beobachtungen wenige Tage vor dem Flyby sorgten für Erleichterung: Die Aufnahmen zeigten keine neuen Hindernisse. Für den Vorbeiflug war in jahrelanger Programmierarbeit jede Beobachtung und Messung auf die Sekunde festgelegt: Binnen weniger Stunden kamen sieben wissenschaftliche Bordexperimente zum Einsatz. Neben drei optischen Geräten, dem UV-Spektrometer ‚Alice‘ sowie den hochauflösenden Kamerasystemen LORRI und ‚Ralph‘, nahmen die beiden Plasma-Instrumente PEPSSI und SWAP, der Staubdetektor ‚Venetia‘ und das Radioexperiment REX eingehende Messungen an dieser fernen, eiskalten Welt vor. REX ist das einzige Instrument auf New Horizons, an dem mit den deutschen Planetenforschern des Rheinischen Instituts für Umweltforschung an der Universität zu Köln deutsche Wissenschaftler beteiligt sind (siehe Kasten). Finanziell gefördert wurde ihre Beteiligung vom Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.

Ein Herz aus Eis, schlammiger Bodenbelag, Kristalleisgebirge und ein Putzmittel
Pluto und sein Mondsystem entpuppten sich vor den Augen der Bordkameras als eine bizarre Welt mit einer bewegten Vergangenheit und vielleicht sogar dynamischen Gegenwart – ein Resultat, mit dem in diesem Ausmaß kein Wissenschaftler zuvor gerechnet hatte und welches ihren Puls buchstäblich beschleunigte: Unter Planetenforschern legendär ist Alan Sterns Ausbruch an Begeisterung, als er die ersten Nahaufnahmen auf dem Bildschirm zu sehen bekam. Jahrzehntelang hatten die Forscher darauf gewartet. Bekannt war von Pluto und Charon bis dato nicht viel, zu klein ist diese ferne Welt selbst für das Hubble-Weltraumteleskop, das nur schemenhaft Helligkeitsunterschiede auf zwei winzigen Lichtscheibchen erkennen ließ. Im Schnitt kommen dort nur fünf Zehntausendstel des Sonnenlichts an, das auf die Erde fällt, die Tagestemperatur beträgt minus 234 Grad Celsius.

Bei diesen Temperaturen frieren die meisten Gase aus. Pluto ist daher von einem Gemisch aus Wasser-, Stickstoff-, Methan-, Kohlenmonoxid-, Kohlendoxid- und Ammoniakeis bedeckt und gegenwärtig, noch in ‚Sonnennähe‘, von einer hauchdünnen Atmosphäre umgeben. Diese besteht aus Stickstoff (mit etwas Kohlenmonoxid und Methan); sie ist – das zeigten die neuen, gegen den Horizont aufgenommenen Bilder – geschichtet und reicht bis in eine Höhe von 1.600 Kilometern. Die mittlere Dichte von Pluto beträgt 1.860 Kilogramm pro Kubikmeter: Daraus lässt sich ableiten, dass Pluto zu mehr als zwei Dritteln aus Gestein und zu 30 Prozent aus Eis verschiedener Zusammensetzung besteht. Das bedeutet, dass die Gesteinsmasse groß genug ist, um nach der Entstehung des Zwergplaneten durch den Zerfall radioaktiver Elemente im Inneren ausreichend Wärme zu erzeugen, so dass sich im Zentrum ein Gesteinskern bilden konnte, der von einer mächtigen Eisschicht umgeben ist. Mehr noch, es könnte genügend Energie vorhanden sein, um auch heute noch dynamische Prozesse in der Eisschicht antreiben zu können.

Tatsächlich blickten die Wissenschaftler zum einen zwar auf eine dunkle Oberfläche, die voller Einschlagskrater war und vermutlich schon vor vier Milliarden Jahren erstarrte; aber auch auf riesige helle kraterfreie Flächen aus blankem Eis, die seit weniger als 100 Millionen Jahren existieren oder teils sogar erst vor kurzer Zeit entstanden sind. Zahlreiche Polygone, die ein wabenartiges Muster in die Eisebene Sputnik Planum zeichnen, werden als erstarrte Konvektionszellen interpretiert, in denen flüssiges oder plastisches Material an die Oberfläche gelangte und ausfror. Und als ob die Natur wüsste, wie eine Landschaft medienwirksam auszusehen hat, gestaltete sie diese über eintausend Kilometer große Eisfläche mit den Umrissen eines Herzens, der man nach dem Entdecker Plutos den Namen Tombaugh Regio gab.

Eine weitere Überraschung war die Entdeckung gewaltiger hochgebirgsartiger Landschaften mit den Norgay und Hillary Montes, Bergen von bis zu 3.500 Metern Höhe, die jedoch nicht aus Stein und Fels bestehen, sondern aus einer Tieftemperatur-Modifikation von Wassereis extremer Härte, die verhindert, dass diese Eisriesen an der Basis durch das Eigengewicht in sich zusammenschmelzen. Das dunkle, rötlich-braune Material im Norden Plutos, das sich auch auf Charon findet, besteht vermutlich aus einer komplexen Mischung organischer Moleküle wie Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff, die sich in der Atmosphäre von Gasplaneten, Monden oder Kometen unter der Einwirkung ultravioletter Strahlung und den Partikeln des Sonnenwindes aus dem Oberflächenmaterial bilden. Sie werden „Tholine“ (griechisch für „schlammig“) genannt. Auf Charon identifizierten die Wissenschaftler außerdem Wassereiskristalle, die auch Spuren von Ammoniumhydroxid (NH4OH) enthalten – im Haushalt als Putzmittel unter dem Begriff Salmiakgeist bekannt.

Der zweite Streich: Vorbeiflug am 30 Kilometer großen Arrokoth an Neujahr 2019
Nach dem perfekten und wissenschaftlich so ergiebigen Vorbeiflug am Pluto setzte New Horizons seinen Flug durch den Kuipergürtel fort. Diese die acht Planetenbahnen umgebende schlauchförmige Region, gelegentlich auch als Kuiper-Edgeworth-Gürtel bezeichnet, ist die kosmische Heimat eisiger, teils extrem primitiver Körper von wenigen Kilometern Größe bis hin zu mehreren tausend Kilometern Durchmesser. Zwergplaneten wie Pluto, Eris, Makemake und Haumea zählen als bekannte Objekte dazu. Der Kuipergürtel schließt unmittelbar an den äußeren Planeten Neptun an und erstreckt sich ungefähr bis in eine Sonnenentfernung von 18 Milliarden Kilometern. Er ist zugleich das Reservoir für die meisten kurzperiodischen Kometen. Alle Objekte des Kuipergürtels zusammengenommen machen nur einen Bruchteil der Masse der Erde aus.

Bereits vor der Ankunft am Pluto hatte man mit Hilfe des Hubble-Weltraumteleskops ein weiteres transneptunisches Objekt erspäht, das für einen relativ nahen Vorbeiflug nach New Horizons Rendezvous mit Pluto geeignet erschien. Anfangs erhielt das neue Objekt die Kennzeichnung 1110113Y und im Mai 2015, nachdem seine Bahn hinreichend genau bestimmt worden war, die offizielle Bezeichnung 2014 MU69. Im März 2018 wählte das New-Horizons-Team aus eingereichten Vorschlägen „Ultima Thule“ als vorläufigen Namen aus, angelehnt an den nördlichsten Landpunkt der Erde an der Nordspitze Grönlands, ein Ort, um den sich seit der Antike ähnlich viele Geschichten rankten wie um Atlantis. Inzwischen wurde er in „Arrokoth“ umbenannt, was in der Sprache der Algonkin „Himmel“ bedeutet. Arrokoth umkreist die Sonne in einer Distanz zwischen 6,4 und knapp 7,0 Milliarden Kilometern und ist derzeit rund 44 Astronomische Einheiten (1 AE = 150 Millionen Kilometer) von ihr entfernt.

In den Jahren 2017 und 2018 ergaben sich anhand der Beobachtung von Sternbedeckungen durch Arrokoth erste Anhaltspunkte, dass das Objekt möglicherweise aus zwei Körpern besteht, die sich umkreisen. Entscheidend beteiligt an diesen Messungen war auch das Flugzeugobservatorium SOFIA des DLR und der NASA. Die vielversprechenden Voruntersuchungen bestätigten sich, als New Horizons am 1. Januar 2019 mit 14,3 Kilometern pro Sekunde (51.500 km/h) nur 3.000 km entfernt an Arrokoth vorbeisauste und Bilder lieferte, die an die Gestalt des Kerns des Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko erinnerten, auf dem die europäische Rosetta-Landesonde Philae gut fünf Jahre zuvor gelandet war.

Doch erst eine genaue Analyse offenbarte die Andersartigkeit: Während der Kometenkern im Ganzen doch eine gewisse räumliche Tiefe aufweist, sind die beiden Teile Arrokoths von ziemlich flacher Struktur und, wie allerdings auch 67P, kraterarm. Letzteres ist ein starkes Indiz, das uns die Oberfläche einen manifesten Einblick in die Anfangszeit unseres Sonnensystem erlaubt, weil es kaum Veränderungen durch chemische Reaktionen infolge Sonnenlicht oder die bei Einschlägen freigesetzte Energie gab. Und in der Tat zeigen sich bei einer genauen geologischen Analyse der Aufnahmen jene Formationen, von denen man annimmt, dass sie die allerersten „building blocks“ bei der Entstehung der beiden Einzelkörper waren, genau so, wie es die Planetologen schon lange vermuteten.

Die Bilder, die man während des Vorbeiflugs gewann, zeigten, dass Arrokoth zwar aus zwei Einzelkörpern besteht, die aber entlang ihrer Längsachsen zu einer 31 Kilometer großen ‚Erdnuss‘ zusammengewachsen sind, zu einem sogenannten ‚contact binary‘: einem Körper, der sich durch Kontakt mit einem zweiten Körper verbunden hat. Vermutlich ist dies ein im äußeren Sonnensystem häufig ablaufender Prozess, denn auch der von der Rosetta-Sonde der ESA besuchte Komet 67P/Churyumov-Gerasimenko entstand, wie Analysen nahelegen, durch einen sanften Kontakt zweier kleinerer Ursprungskörper. Farblich besteht zwischen den beiden rostbraun getönten Einzelkörpern kein Unterschied, lediglich der gerade noch auszumachende ‚Nacken‘ in der Kontaktzone ist deutlich heller. Die rötliche Färbung beruht Spektralmessungen zufolge auf den Verbindungen Methanol (CH3OH), Blausäure (HCN), Wassereis und einiger Kohlenwasserstoffverbindungen. Wegen New Horizons großer Entfernung ist die Übertragung der Daten vom Vorbeiflug an Arrokoth zur Erde auch nach anderthalb Jahren nicht abgeschlossen und wird noch bis Ende 2020 andauern. Erst dann wird es endgültige Ergebnisse geben.

Erste Fixstern-Parallaxenmessung mit einer Raumsonde
Erst jüngst hat New Horizons einen weiteren Rekord gebrochen. Jenseits von Arrokoths Umlaufbahn hat die Sonde in einer Distanz von rund 47 AE zwei nahe Fixsterne angepeilt und so die erste interplanetare Parallaxenmessung ermöglicht, dessen Resultat am 11. Juni bekannt gegeben wurde.

Am 22. und 23. April dieses Jahres machte die Raumsonde fern von Erde und Sonne Aufnahmen zweier Sterne, die unserem Sonnensystem relativ nah stehen, Proxima Centauri und Wolf 359 im Sternbild des Löwen. Vergleicht man die Bilder der Sonde mit denen, die zur gleichen Zeit von der Erde aus im gleichen Sternfeld gewonnen wurden, erkennt man deutlich, wie die beiden Sterne in Bezug auf die mehr als 100fach weiter entfernten Hintergrundsterne jeweils eine geringfügig andere Position einnehmen. Astronomisch bezeichnet man das als Parallaxeneffekt.

„Das trigonometrische Parallaxenverfahren spielte und spielt in der Astronomie eine entscheidende Rolle, denn damit lässt sich gut die Entfernung naher Sterne in einem Umkreis von etwa 100 Lichtjahren bestimmen“, erläutert Dr. Manfred Gaida, Astronom und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Dieses Verfahren zur stellaren Entfernungsbestimmung ist gleichsam die erste Stufe auf der kosmischen Entfernungsleiter.“

Das Grundprinzip der Messmethode ist dabei denkbar einfach und lässt sich mit dem Hin- und Herspringen des Daumens einer ausgestreckten Hand vor einer Wand vergleichen, wenn er abwechselnd mal mit dem linken und mal mit dem rechten Auge anvisiert wird. Was im Gesicht der Abstand der Pupillenmitten ist, ist bei den Astronomen der doppelte Erdbahnhalbmesser, also zweimal die große Halbachse der Erdbahnellipse oder zwei Astronomische Einheiten (AE), das heißt rund 300 Millionen Kilometer. Misst man die Position eines relativ nahen Sterns von zwei weit auseinanderliegenden Positionen auf der Erdbahn, z.B. im Frühjahr und im Herbst, lässt sich trigonometrisch die Distanz zu dem Stern ermitteln.

Stellarer Parallaxeneffekt mit einer Basislinie von sieben Milliarden Kilometern
Mit New Horizons konnte nun die Basislinie von 1 AE auf gut 47 AE vergrößert werden. Dadurch „springen“ Proxima Centauri und Wolf 359 bei wechselnder Betrachtung der Erd- und Raumsondenaufnahmen auffallend vor den Fixsternen im Hintergrund hin und her – eine erst- und einmalige Visualisierung des stellaren Parallaxeneffekts, die vorher so nicht möglich war. Dem Projektleiter von New Horizons, Alan Stern, und seinem Team ist damit eine Meisterleistung in der experimentellen Astronomie gelungen.

Da Parallaxenwinkel sehr klein sind, d.h. bezogen auf den Erdbahnhalbmesser weniger als eine Bogensekunde betragen und der parallaktische Effekt von vielen anderen physikalischen Effekten wie zum Beispiel von der Aberration und der Eigenbewegung des Sterns überlagert wird, hat es lange gedauert, bis die erste Bestimmung einer Fixsternparallaxe glückte und dadurch die Tiefendimension des Kosmos erschlossen werden konnte. Viele Abschätzungen wurden jahrhundertelang unternommen, die Entfernung der Sterne auszuloten, doch erst ab dem Jahr 1835 kam der Durchbruch: Nahezu gleichzeitig und unabhängig voneinander führten die drei Astronomen Friedrich Georg Wilhelm von Struve (1819-1905), Friedrich Wilhelm Bessel (1784-1846) und Thomas Henderson (1791-1844) Parallaxenmessungen durch: Struve von der Sternwarte Dorpat aus an dem hellen Stern Wega im Sternbild Leier, Bessel von Königsberg aus an dem Stern 61 Cygni im Sternbild Schwan und Henderson am Cape Observatorium an α Centauri. Bessel hatte dabei mit 61 Cygni einen Stern ausgewählt, der durch eine hohe tangentiale Eigenbewegung von 5,2 Bogensekunden pro Jahr auffiel und es daher plausibel erschien, dass dieser Stern relativ sonnennah war. Bessel war es schließlich auch, dem man später die erste von der umfangreichen Datenlage her verlässliche Bestimmung einer Fixsternparallaxe zuschrieb, ohne dass es mit Struve oder Hendersen zu einem Prioritätenstreit über die Erstentdeckung kam.

Von Königsberg aus, der Heimatstadt Immanuel Kants, begann Bessel seine Untersuchungen im August 1837. Als Beobachtungsinstrument diente ihm dabei ein Heliometer des bayrischen Technikers Joseph von Utzschneider (1763-1840) und des berühmten Münchner Optikers Joseph von Fraunhofer (1787-1826), mit dessen Hilfe kleine Winkelabstände zwischen 61 Cyg und zweier benachbarter Sterne sehr genau gemessen werden konnten. Bis Oktober 1838 hatte Bessel insgesamt 183 Anschlüsse an den Positionen der beiden Nachbarsterne vorgenommen und konnte damit für 61 Cyg eine Parallaxe von 0,3136 ± 0,0202 Bogensekunden bestimmen, ein Wert, der bis heute auf 0,2859 ± 0,0001 Bogensekunden verbessert wurde. Ihm entspricht eine Distanz von 3,5 Parsec, dem Kehrwert des Bogensekundenwertes, oder von knapp 11 Lichtjahren von der Sonne. Damit gehört 61 Cygni zu den 20 sonnennächsten Sternen.

Elf Lichtjahre entsprechen unvorstellbaren 104 Billionen Kilometern. Die Distanz zu dem der Sonne nächstgelegenen Stern, Proxima Centauri, ist etwas geringer und beträgt „nur“ 4,2 Lichtjahre oder 40 Billionen Kilometer, und zu dem Stern Wolf 359 sind es auch nur knapp acht Lichtjahre. Im Vergleich zum Durchmesser der Milchstraße von hunderttausend Lichtjahren sind diese Distanzen winzig klein, gemessen an den Abständen im Sonnensystem aber riesig.

Proxima Centauri am Südsternhimmel kann von Europa aus nicht beobachtet werden, sondern nur von Standorten aus, die südlicher als der 27. nördliche Breitengrad liegen. Der Stern hat eine geringe scheinbare Helligkeit elfter Größenklasse und wurde im Jahr 1915 von Robert Innes (1861-1933) in Johannesburg mit Hilfe eines Astrographen entdeckt. Innes fand heraus, dass die Eigengeschwindigkeit des neuentdeckten Sterns nahezu dieselbe ist wie bei α Centauri und schloss daraus, dass beide Sterne gravitativ zusammengehören. Er vermutete auch, dass Proxima Centauri der Sonne noch ein wenig näher stünde als α Centauri, der selber ein Doppelstern ist. Nachgewiesen wurde dies allerdings erst später durch den amerikanischen Astronomen Harold Lee Alden (1890-1964); nach ihm ist ein Krater auf der Mondrückseite benannt. Seit dem Jahre 2016 ist auch bekannt, dass Proxima Centauri von einem erdgroßen, planetaren Begleiter in elf Tagen umrundet wird.

Wolf 359 am nördlichen Fixsternhimmel, auch als CN Leonis oder Gliese 406 bekannt, ist ein roter Zwergstern mit einer scheinbaren Helligkeit der 13,5ten Größenklasse. Sein Name geht auf den Heidelberger Astronomen Max Wolf (1863-1932) zurück, der im Juni 1919, in demselben Jahr, in dem Albert Einstein durch den Nachweis der Lichtablenkung am Sonnenrand berühmt wurde, einen „Katalog von 1053 stärker bewegten Fixsternen“ in den Veröffentlichungen der Badischen Sternwarte zu Heidelberg publizierte. Der darin aufgeführte 359. Stern ist derjenige, der jetzt, nachdem er bereits durch Raumschiff Enterprise bekannt wurde, von New Horizons erneut in das Licht der Öffentlichkeit gerückt ist.

Während man bei einer erdgebundenen Parallaxenbestimmung im Laufe eines halben oder ganzen Jahres viele zeitlich aufeinanderfolgende Positionsmessungen an einem bestimmten Stern durchführt, um aus der „Widerspiegelung“ der Erdbahnellipse an der Himmelsphäre seine Entfernung zu berechnen, liegen bei der jetzigen interplanetaren Parallaxenmessung praktisch nur zwei gleichzeitig gewonnene Messpunkte vor, die jedoch 47 Astronomische Einheiten voneinander entfernt liegen. Da ein Parsec die Distanz ist, von der aus der Erdbahnhalbmesser (1 AE) unter einem Winkel von einer Bogensekunde erscheint, beträgt dieser Winkel, übertragen auf die Basislänge Sonne-New Horizons in erster Näherung nun das 47fache. Bezogen auf 1 AE beträgt für Wolf 359 die Parallaxe 0,415 und für Proxima Centauri 0,769 Bogensekunden. Im Unterschied zum Erdbahnwert wurden jetzt 16 Bogensekunden für Wolf 359 und für Proxima Centauri 32 Bogensekunden gemessen.

Auch wenn New Horizons Parallaxenmessungen keine Verbesserung der bereits bekannten Entfernungswerte liefern, sondern vor allem verdeutlichen sollen, wie sich der uns gewohnte Anblick des Sternenhimmels in größerer Distanz von der Erde perspektivisch verändert, so eröffnen sie doch langfristig neue Anwendungsmöglichkeiten – die interstellare Navigation. Mit einem Sternkatalog an Bord eines Raumschiffes, der als Referenz die erdbasierten Sternörter enthält, könnten anhand solcher Messungen Raumsonden sicher durch interstellare Weiten navigieren, wie einst die Seefahrer anhand der Gestirne über unbekannte Meere. Aber auch die Idee, die auf den berühmten amerikanischen Physiker Freeman Dyson (1923-2020) zurückgeht, Raumschiffe systematisch für stellare Parallaxenmessungen mit einer größeren Basis als die Astronomische Einheit zu verwenden, erfährt durch New Horizons Messungen eine Renaissance. Clyde Tombaugh, von dessen Asche der Sonde etwas mitgegeben wurde, wäre zweifellos über die Verwirklichung solcher Pläne sehr angetan. Die kleine Raumsonde New Horizons hat zweifellos ihrem Namen alle Ehre gemacht und uns allen wahrhaft neue Horizonte eröffnet.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• New Horizons Mission

Der Beitrag Fünf Jahre New-Horizons-Vorbeiflug am Pluto erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Autor: Mark Weimar

Man klassifiziert Sterne auch nach ihrem Alter. Dafür nutzt man die sogenannten Sternenpopulationen. Hierbei unterteilt man in die Population I, das sind die jungen Sterne, und die Population II, das sind die alten Sterne. Sterne die gerade erst „geboren“ sind, also junge Stern, die sich in den Spiralarmen einer Galaxie befinden werden in der Extremen Population I zusammengefasst und wiederum für Sterne die am Anfang des Universums „gelebt“ hatten und heute nicht mehr existieren, diese werden in der Population III zusammengefasst. Die Einführung der Populationen um das Alter der Sterne zu charakterisieren, verdanken wir Walter Bade. Walter Bade war ein deutscher Astronom, der später in die Vereinigten Staaten auswanderte. Bei Beobachtungen von Sternen in der Andromedagalaxie stellte er fest, dass die Sterne je nach ihrer Position in der Galaxie unterschiedliche Merkmale aufweisen. Auf den äußeren Bahnen der Galaxie bewegen sich überwiegend blaue Sterne und weiter in Richtung des Zentrums sind plötzlich überwiegend rote Sterne zu sehen. Das heißt, dass sich an den äußeren Rändern einer Galaxie junge Sterne und näher am Zentrum Rote Sterne befinden.

Sterne werden aber nicht nur nach ihrem Alter klassifiziert sondern auch nach ihrer Helligkeit und wie weit sie von uns entfernt sind.
Die Einteilung der Sterne nach ihrer Helligkeit erfolgt durch Größenklassen. Es gibt sechs dieser Größenklassen, auch Magnitudo genannt. Mit der ersten Größenklasse werden jene Sterne bezeichnet, die die hellsten sind; die zweite Größenklasse sind jene nicht ganz so hellen Sterne bis hin zur sechsten Größenklasse, womit die Sterne bezeichnet werden, die kaum noch mit dem bloßem Auge zu erkennen sind.
Dieses System, das aus der Antike stammt und seit jeher genutzt wurde, um Sterne zu unterteilen, wurde Mitte des 19. Jahrhunderts von dem Englischem Astronom Norman Pogson weiterentwickelt. Er entdeckte, dass die Sterne einer bestimmten Größenklasse genau 2,5mal heller waren als die der nachfolgenden Gruppe. Daraus zog er den Schluss, dass zwischen einem Stern der 1.Größenklasse und einem der 6.Größenklasse ein Helligkeitsverhältnis von 100:1 bestehen müsse. Durch diese Verbesserung im System der Antike können wir heute die Helligkeitsangaben auf Zehntel oder sogar auf Hundertstel genauer machen als damals.
Doch wenn wir mit einem Photometer die Helligkeit eines Sterns messen, messen wir dann wirklich seine Helligkeit? Nein: Dieses Phänomen nennt man scheinbare Helligkeit. Wir unterscheiden scheinbare und absolute Helligkeit. Unter der absoluten Helligkeit verstehen wir jene Helligkeit, die ein Stern aufweisen würde, wenn er sich in einer Entfernung von 10 Parsec befinden würde (1pc = 3,26 Lichtjahre).
Messen wie weit ein Stern eigentlich entfernt ist, ist wohl das schwierigste Unterfangen in der Astronomie. Da, wie man sich auch leicht denken kann, die Maßeinheiten die wir hier auf der Erde benutzen nicht geeignet sind um sie auf das gesamte Universum zu übertragen. Stellen sie sich nur einmal vor, wenn man anstelle von Lichtjahr sagen würde, dieser Stern ist 9.460.800.000.000 km von uns entfernt. Daher hat man in der Astronomie eigene Maßeinheiten zur Entfernungsmessung. Innerhalb unseres Sonnensystems benutzen wir die Einheit Astronomische Einheit. Damit ist der mittlere Abstand zwischen der Erde und der Sonne gemeint. Das heißt eine Astronomische Einheit, auch mit AE abzukürzen, sind 149,6 Mio. km. Für die Objekte außerhalb unseres Sonnensystem gibt es wiederum ganz andere Maßeinheiten. So zum Beispiel wie oben schon genannt das Lichtjahr. Mit einem Lichtjahr ist die Entfernung gemeint die das Licht innerhalb eines Jahres zurücklegt (Licht bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 300000 km/sec). Ebenfalls oben schon genannt die Parsec. Ein Parsec sind 3,26 Lichtjahre, also etwa 30.000 Mrd. km. Parsec wiederum wird noch in Kiloparsec und Megaparsec. Ein Klioparsec entspricht 1000 Parsec und ein Megaparsec entspricht 1000000 Parsec.

Die grundsätzliche Methode zur Entfernungsmessung ist die der jährlichen Parallaxe. Das Prinzip ist einfach. Ein naher Stern scheint sich, wenn man ihn von verschiedenen Orten im Raum beobachtet, zu bewegen. Zur Beobachtung wählt man nun zwei Orte aus die Möglichst weit von einander entfernt sind. Dazu nutzt man die Umlaufbewegung der Erde. Es erfolgen zwei Beobachtungen, die im Abstand von sechs Monaten durchgeführt werden und daher von Orten im Raum die rund 300 Mio. km voneinander entfernt sind. Wenn man nun den beobachteten nahen Stern auf den weit entfernten Fixsternhintergrund projiziert scheint sich seine Position um einen gewissen Winkel verändert zu haben. Da wir den Radius der Erdumlaufbahn kennen können wir nun die Entfernung des Sterns ermitteln. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass man keine Kenntnisse über den Stern haben muss, da diese Methode auf geometrischen Gegebenheiten beruht.

Die wohl wichtigsten Merkmale eines Sterns sind seine Temperatur und seine absolute Helligkeit. 1913 hatten zwei Astronomen, Ejnar Hertzsprung und Henry Norris Russel, unabhängig von einander die Idee, den Zusammenhang zwischen den beiden Größen grafisch darzustellen. Das Ergebnis war das Hertzsprung-Russel-Diagramm wobei auch die Bezeichnung Farben-Helligkeits-Diagramm gebräuchlich ist. Um ein solches Diagramm zu erstellen geht man von einer bestimmten Anzahl von Sternen aus von denen man die Entfernung kennt, um ihre absolute Helligkeit errechnen zu können. Als nächstes muss die Temperatur der Sterne bestimmt werden, wofür man die Spektralklassen der Sterne ermittelt. Dann werden diese beiden Größen auf zwei verschiedenen Achsen eingetragen. Auf der x-Achse wird die Temperatur angegeben und auf der y-Achse wird die absolute Helligkeit eingetragen. Wenn man das Diagramm erstellt hat erkennt man, dass sich die Sterne in ganz bestimmten Zonen des Diagramms anhäufen. Eine bestimmte Reihe an der sich die Sterne im Diagramm anhäufen ist die sogenannte Hauptreihe. Demnach werden Sterne, die sich in dieser Hauptreihe befinden Hauptreihensterne genannt. Auch unsere Sonne ist ein solcher Hauptreihenstern. Diese sind jene Sterne die sich in ihrer stabilen Phase ihres „Lebens“ befinden.

Der Beitrag Klassifizierung der Sterne erschien zuerst auf Raumfahrer.net.