Quelle: Universität Wien 4. September 2024.

4. September 2024 – Zwei Instrumente für das künftig größte optische Teleskop der Welt, das Extremely Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile, haben die abschließende Designprüfung bestanden und damit einen wichtigen Meilenstein erreicht. Sie werden künftig Bilder des Universums in noch nie dagewesener Tiefe liefern: METIS, eine Kamera plus Spektrograph im mittleren Infrarotbereich, wird durch Staub- und Gaswolken blicken und so die Stern- und Planeten-Entstehung nachvollziehen können. Die 20 Tonnen schwere Kamera MICADO hingegen soll unter anderem Bilder von Sternsystemen in nahen Galaxien, Exoplaneten und schwarzen Löchern liefern. An der Entwicklung ist die österreichische Kooperation A* (Universitäten Wien und Innsbruck, JKU Linz, Österreichische Akademie der Wissenschaften) beteiligt.

In rund drei Jahren soll das weltweit größte optische Teleskop, das Extremely Large Telescope (ELT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in der chilenischen Atacama-Wüste in Betrieb gehen. Ausgerüstet mit verschiedenen Instrumenten, zwischen denen man innerhalb von Minuten umschalten kann, wird das ELT von der Erde aus Blicke ins Universum in noch nie dagewesener Tiefe ermöglichen. Zwei dieser Instrumente, an deren Entwicklung auch zahlreiche österreichische Expert*innen beteiligt sind, haben nun die abschließende Designprüfung bestanden und damit einen wichtigen Meilenstein erreicht: Die „Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations“ (MICADO), eine leistungsstarke hochauflösende Kamera für das ELT, hat die Designphase im Sommer abgeschlossen; der „Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph“ (METIS) bereits im Mai. Beide Instrumente sollen bereits beim Start des ELT oder kurz danach in Betrieb gehen.

METIS, Kamera und Spektrograph zugleich, ist für die Beobachtung im mittleren Infrarotbereich ausgelegt und eignet sich daher ideal für die Untersuchung kalter oder von Staub umhüllter Objekte. „Während sehr heiße Objekte wie unsere Sonne hauptsächlich sichtbares Licht aussenden, strahlen kältere Objekte wie Planeten oder Staubwolken vor allem im mittleren Infrarotbereich. Durch die Analyse des Lichts in diesem Frequenzbereich wird METIS untersuchen, wie sich Sterne und Planeten in Staub- und Gaswolken bilden, und kann durch den Staub im Zentrum von Galaxien blicken, um deren supermassereiche schwarze Löcher zu untersuchen“, erklärt Kieran Leschinski vom Institut für Astrophysik der Universität Wien. Er ist Teil der österreichischen Expert*innengruppe, an der die Universität Wien, die Universität Innsbruck, die Johannes Kepler Universität Linz sowie RICAM Linz/Österreichische Akademie der Wissenschaften beteiligt sind.

Beiträge zur Forschung an Exoplaneten
Darüber hinaus wird METIS voraussichtlich spannende Beiträge zur Erforschung von Exoplaneten leisten, indem es kleine, felsige Exoplaneten beobachtet und die Temperatur, das Wetter und die chemische Zusammensetzung ihrer Atmosphären auf der Suche nach bewohnbaren Welten untersucht. „Mit METIS verfolgen wir ein breites Spektrum wissenschaftlicher Ziele, von der Erforschung der Entstehungsgeschichte unseres Sonnensystems über den Blick in das Zentrum von Galaxien bis hin zur Untersuchung ihrer rätselhaften supermassiven schwarzen Löcher. Der wissenschaftliche Schwerpunkt von METIS liegt auf der Untersuchung von Planetenentstehungsscheiben und kürzlich entstandenen – sowie nahen – Exoplaneten“, so Norbert Przybilla, Professor am Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck.

20 Tonnen-schwere Kamera MICADO wird entfernte Galaxien beobachten
Das zweite Instrument, bei dem der Designprozess kürzlich abgeschlossen wurde, ist die „Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations“, kurz MICADO. MICADO wird hochauflösende Bilder des Universums liefern und die Entstehungsmechanismen entfernter Galaxien offenbaren. Bei der Entwicklung von MICADO stand der Wunsch nach höchster Präzision und Stabilität im Vordergrund, um die geforderte hohe Empfindlichkeit, Auflösung, astrometrische Genauigkeit und Abdeckung eines großen Wellenlängenbereichs zu erreichen. Um das gewährleisten zu können, wird das Instrument eine stattliche Größe erreichen: Rund sechs Meter hoch, wird es nicht weniger als 20 Tonnen wiegen.

Das Herzstück des Instruments wird, genauso wie jenes von METIS, in einem Kryostaten untergebracht, der es kühl hält, so dass es im nahen Infrarotbereich effektiv und ohne Störung durch andere Wärmequellen arbeiten kann. Dadurch wird es möglich sein, hochauflösende Bilder des Universums zu erhalten, die die detaillierten Strukturen und Entstehungsmechanismen entfernter Galaxien offenbaren und es den Astronom*innen ermöglichen, einzelne Sterne und Sternsysteme in nahen Galaxien sowie Planeten und deren Entstehung außerhalb unseres Sonnensystems zu untersuchen. Darüber hinaus wird MICADO ein einzigartig leistungsfähiges Instrument zur Erforschung von Umgebungen sein, in denen die Gravitationskräfte extrem stark sind, wie etwa in der Nähe des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße.

„Erdgebundene astronomische Beobachtungen werden durch Turbulenzen in der Erdatmosphäre gestört und können auch mit freiem Auge als Blinken der Sterne wahrgenommen werden. Das Team an der JKU Linz und am RICAM leistet mit der Entwicklung der Algorithmen zur Korrektur dieser Turbulenzen mittels verformbarer Spiegel einen wesentlichen Beitrag, um scharfe Bilder ferner Himmelsobjekte aufnehmen zu können“, erklärt Ronny Ramlau, Professor am Institut für Industriemathematik der Johannes Kepler Universität Linz und Scientific Director am RICAM Linz/ÖAW.

Expert*innenstimmen:
Kieran Leschinski, Institut für Astrophysik der Universität Wien: „Das Extremely Large Telescope (ELT) wird das leistungsfähigste optische/infrarote Teleskop sein, das je gebaut wurde. Mit seinem enormen 39-Meter-Hauptspiegel wird das ELT es ermöglichen, die schwächsten und entferntesten Objekte im Kosmos zu beobachten – von den ersten Galaxien, die sich nach dem Urknall gebildet haben, bis hin zu potenziell bewohnbaren Exoplaneten, die nahegelegene Sterne umkreisen. Unser Team hier in Österreich ist verantwortlich für die Entwicklung der Software für MICADO und METIS, die es Astronom*innen ermöglichen wird, bahnbrechende wissenschaftliche Ergebnisse aus den Rohdaten zu gewinnen, die direkt von den Instrumenten des Teleskops kommen.“

Werner Zeilinger, Institut für Astrophysik der Universität Wien: „Die räumliche Auflösung, die das ELT erreicht, ist so hoch, dass eine Lego-Figur auf einer Raumstation beobachtet werden kann. Allerdings führt bei einer solch hohen Auflösung selbst die kleinste Turbulenz in der Atmosphäre dazu, dass die Bilder verschwimmen – ähnlich als ob ich ein Objekt am Boden eines Schwimmbeckens betrachte. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, integriert das Extremely Large Telescope (ELT) mehrere flexible Spiegel, die sich hunderte Male pro Sekunde verformen und so die atmosphärischen Verzerrungen in Echtzeit beseitigen können. Dadurch wird das ELT in Summe in der Lage sein, Bilder deutlich schärfer aufzunehmen als das Hubble-Weltraumteleskop.“

Manuel Güdel, Professor am Institut für Astrophysik der Universität Wien: „METIS wird unser Verständnis von Planetensystemen revolutionieren. Durch seine hochauflösenden Infrarotbilder und -spektren wird es möglich sein, Exoplaneten und ihre Atmosphären in beispielloser Detailgenauigkeit zu untersuchen. Dieses hochmoderne Instrument wird auch dabei helfen, potenziell bewohnbare Welten zu identifizieren und uns näher an die Beantwortung der tiefgreifenden Frage bringen, ob Leben außerhalb unseres Sonnensystems existiert. Zudem wird METIS Einblicke in die Sternentstehung und die Bedingungen rund um junge Sterne geben, welche wiederum die Planetenentstehung und -entwicklung antreiben.“

Wolfgang Kausch, Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck: „Damit wir mit MICADO die geforderte hohe Empfindlichkeit, Auflösung, astrometrische Genauigkeit und Abdeckung eines großen Wellenlängenbereichs in der ELT-Umgebung erreichen, wird das Instrument nicht weniger als 20 Tonnen wiegen und eine Höhe von sechs Metern haben.“

Roland Wagner (RICAM Linz, ÖAW): „Innerhalb von MICADO wird am RICAM der ÖAW und an der JKU Linz eine Software zur Bewertung der Bildqualität mittels der sogenannten Point Spread Function entwickelt. Damit können in der Analyse der Bilder die Eigenschaften der beobachteten Sterne genauer als bisher bestimmt werden. Die Methode dafür wird gerade an Daten bereits existierender Teleskope getestet.“

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• ESO Teleskop ELT

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Quelle: AIP 28. Februar 2023.

28. Februar 2023 – Das Team stellt nun in der ersten einer Reihe von Veröffentlichungen in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics genaue Werte für 54 spektroskopische Parameter pro Stern vor und veröffentlicht alle Daten für die wissenschaftliche Gemeinschaft. Die beispiellos große Anzahl von Parametern ist für die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der Sterne und ihren möglichen Planeten unerlässlich.

Sterne erzählen Geschichten über sich selbst, und manchmal auch über ihre unentdeckten Planeten. Ihre Sprache ist das Licht: Sternenlicht verrät viele physikalische Eigenschaften eines Sterns, wie seine Temperatur, seinen Druck, seine Bewegung, seine chemische Zusammensetzung und vieles mehr. Forschende lesen das Sternenlicht mit einer Methode namens quantitative Absorptionsspektroskopie. Dazu fangen Teleskope das Sternenlicht ein und Spektrographen zerlegen es nach Wellenlängen in ein regenbogenartiges Spektrum, das den Fingerabdruck des Lichts des Sterns darstellt. Sind diese Parameter bekannt, dienen sie der Überprüfung von theoretischen Modellen von Sternen. Dabei stellt sich oft heraus, dass die Modelle Schwächen haben oder dass die Beobachtungen der Sternspektren noch zu ungenau sind.

Manchmal zeigt sich aber auch, dass ein Stern eine überraschende Geschichte bereithält. Das hat das Team motiviert, eine ultrapräzise Untersuchung von möglichen Planeten beherbergenden Sternen durchzuführen. „Da sich Sterne und ihre Planeten gemeinsam bilden, stellte sich die Frage, ob das Vorhandensein bestimmter chemischer Elemente in einer Sternatmosphäre oder ihr Isotopen- oder Häufigkeitsverhältnis auf ein Planetensystem hinweist“, erklärt Prof. Klaus G. Strassmeier, Hauptautor, Direktor am AIP und Leiter der Untersuchung. Die Mengen verschiedener chemischer Elemente in einem Stern könnten darauf hindeuten, dass der Stern terrestrische Planeten hat (felsige Welten wie die Erde oder den Mars). Auch für das Alter der Planeten und dass der Stern einige seiner Planeten „gefressen“ hat, können die Sternspektren verraten, so die Hypothese. Dies muss noch weiter untersucht werden und die nun veröffentlichten Daten bilden die Grundlage dazu.

Von den über 5000 bestätigten Exoplaneten (Planeten, die andere Sterne als die Sonne umkreisen) wurden 75 % vom Weltraum aus entdeckt, indem man beobachtete, wie die vorbeiziehenden Planeten das Licht ihres Sterns reduzierten. Der Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA hat auf genau diese Weise Exoplaneten gefunden. Dabei wurden mehr Exoplaneten in den Bereichen des Himmels gefunden, die am weitesten von der Ekliptik (der Ebene, in der die Erde die Sonne umkreist) entfernt sind, die so genannten ekliptikalen Pole. Observatorien auf der Nordhalbkugel können den nördlichen Ekliptikpol beobachten, und die Durchmusterung von Sternen innerhalb dieser Region wird als Vatican-Potsdam Northern Ecliptic Pole (VPNEP) bezeichnet.

Die Durchmusterung konzentrierte sich auf das reichhaltigste Beobachtungsfeld von TESS, einem Himmelsbereich, der etwa 4000 mal so groß ist wie der Vollmond. Alle etwa 1100 darin enthaltenen Sterne, die möglicherweise von Planeten umgeben sind, wurden untersucht. Bis zu 1,5 Stunden Teleskopzeit waren pro Stern nötig, um genug Licht für ein einziges hochwertiges Spektrum einzufangen. Da jeder Stern mehrmals beobachtet wurde, dauerte es fünf Jahre, bis die Durchmusterung abgeschlossen war.

Die Beobachtungen bedienten sich der Teleskope an zwei Standorten: In Arizona kam das Vatican Advanced Technology Telescope (VATT) des Vatikan-Observatoriums, bestehend aus dem Alice P. Lennon Teleskop und seiner Thomas. J. Bannan Astrophysics Facility, zum Einsatz und leitete das Licht zum Spektrographen des AIP, dem Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument (PEPSI) weiter. Sie nahmen Spektren von Zwergsternen mit noch nie dagewesener Präzision auf. Auf Teneriffa nutzte das STELLA-Observatorium (STELLar Activity) des AIP den STELLA-Echelle-Spektrographen, um das Licht von Riesensternen mit geringerer, aber immer noch hoher Präzision einzufangen.

Dr. Martina Baratella, eine der an der Untersuchung beteiligten Postdoktorandinnen des AIP, kommentiert: „Die Spektren enthüllen Elemente, die zu jenen gehören, die am schwierigsten zu beobachten sind.“ Häufigkeitsverhältnisse von Elementen wie Kohlenstoff zu Eisen oder Magnesium zu Sauerstoff geben Hinweise auf die Existenz und das Alter von sonst unsichtbaren Gesteinsplaneten. Prof. Strassmeier fügt hinzu: „Es wird noch einige Zeit dauern, bis die Daten der Durchmusterung vollständig ausgewertet sind. Aber wir erwarten, dass wir bald weitere Entdeckungen bekannt geben können.“

Weitere Informationen
Das Team der Durchmusterung (VPNEP-Team):
AIP: K. G. Strassmeier, M. Weber, D. Gruner, I. Ilyin, M. Steffen, M. Baratella, S. Järvinen, T. Granzer, S. A. Barnes, T. A. Carroll, M. Mallonn, D. Sablowski.
VO: P. Gabor, D. Brown, C. Corbally, M. Franz

Mehr Informationen zu PEPSI, STELLA und das VATT:
https://pepsi.aip.de / https://stella.aip.de/
https://www.vaticanobservatory.org/

Originalveröffentlichung:
K. G. Strassmeier, M. Weber, D. Gruner, I. Ilyin, M. Steffen, M. Baratella, S. Järvinen, T. Granzer, S. A. Barnes, T. A. Carroll, M. Mallonn, D. Sablowski, P. Gabor, D. Brown, C. Corbally, and M. Franz, VPNEP: Detailed characterization of TESS targets around the Northern Ecliptic Pole. I. Survey design, pilot analysis, and initial data release, A&A, in press; doi.org/10.1051/0004-6361/202245255; https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/03/aa45255-22/aa45255-22.html.

Technische Einzelheiten:
Das NEP-Feld (Northern Ecliptic Pole) umfasst etwa 770 Quadratgrad mit etwa 1100 Sternen, die heller als 8,5 Magnituden sind.

Spektren von Zwergsternen wurden mit dem VATT und PEPSI mit einer spektralen Auflösung von l/Dl=200.000 aufgenommen. Spektren von Riesensternen nahmen STELLA und SES mit einer Auflösung von l/Dl=55.000 auf.

Die Spektren decken alle optischen Wellenlängen ab.

Die Ergebnisse der Studie umfassen die folgenden stellaren astrophysikalischen Parameter: Temperatur, Schwerkraft, Metallizität, atmosphärische Mikro- und Makroturbulenz, Radial- und Rotationsgeschwindigkeit, Bisektor-Geschwindigkeitsspanne, konvektive Blauverschiebung, chemische Häufigkeiten, Masse und Alter. Chemische Häufigkeiten wurden für 27 Elemente abgeleitet, darunter Lithium, viele refraktäre Elemente und die Kernfusionsmoderatoren CNO. Isotopenverhältnisse wurden nur für Lithium und Kohlenstoff bestimmt. Zu den schwer zu ermittelnden stellaren Parametern gehören die äquatoriale Rotationsgeschwindigkeit und die magnetische Aktivität der Atmosphäre. Die Durchmusterung liefert nicht nur Rotationsgeschwindigkeiten aus zwei verschiedenen Techniken, sondern auch die absoluten Emissionslinienflüsse der Chromosphären dieser Sterne, die gut miteinander verknüpft sind. In Kombination mit den Parametern Radius und Metallizität und ergänzt durch die Parallaxen der ESA-Mission Gaia lassen sich damit enge Grenzen für stellare Entwicklungsmodelle und deren Physik setzen. Häufigkeitsverhältnisse wie C/Fe oder Mg/O deuten auf die Existenz und das Alter von ansonsten unsichtbaren Gesteinsplaneten hin.

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• Astronomie im Vatikan

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Die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums durch die Beobachtung entfernter Supernovae hat zur Postulierung der so genannten Dunklen Energie geführt. Bis heute ist die Natur dieser „Antigravitation“, die das Universum auseinander treibt, unbekannt. Um ihr auf den Grund zu gehen, wurden verschiedene wissenschaftliche Projekte initiiert – unter anderem das Hobby-Eberly-Teleskop-Dark Energy Experiment (HETDEX). Es zielt darauf ab, eine dreidimensionale Karte von 2,5 Millionen weit entfernten Galaxien zu erstellen, die der Wissenschaft helfen soll zu verstehen, wie und warum sich die Expansion des Universums mit der Zeit beschleunigt.

„Um die Distanz weit entfernter Galaxien bestimmen zu können, müssen wir diese lichtschwachen Objekte nicht nur finden, sondern ihr Licht auch spektroskopisch analysieren, also in die verschiedenen Wellenlängen zerlegen“, erklärt Dr. Andreas Kelz, der lokale HETDEX-Projektleiter am AIP. Zu diesem Zweck wurde ein leistungsfähiger Mehrkanal-Spektrograph gebaut: der Visible Integral-field Replicable Unit Spectrograph (VIRUS). Er ist über ein System aus 35.000 optischen Fasern, die am AIP entwickelt, aufgebaut und getestet wurden, mit dem Teleskop verbunden. Mit der Fertigstellung des kompletten Instruments und seiner Installation am 10-Meter-Teleskop des McDonald-Observatoriums in Texas wurde nun ein Meilenstein erreicht. VIRUS ist eine riesige Maschine, die aus Dutzenden von Kopien von Glasfaserbündeln und Spektrographen besteht, die effizient zusammenarbeiten.

„Während es ein Jahrzehnt dauerte, das komplette Instrument zu bauen und zu installieren, erlaubte der modulare Ansatz des Systems eine schrittweise Implementierung, so dass die wissenschaftliche Untersuchung bereits vor drei Jahren mit den ersten Modulen des Instruments beginnen konnte“, erklärt Kelz. Dieser Ansatz trägt nicht nur zur Kostensenkung bei, sondern ermöglicht auch den Technologietransfer und die kommerzielle Fertigung mit industriellen Partnern.

Für die astronomische Durchmusterung wird das Teleskop auf zwei Regionen am Himmel, in der Nähe des Großen Wagens und des Orion, ausgerichtet. Für jede Beobachtung nimmt das Teleskop derzeit etwa 32.000 Spektren gleichzeitig auf und erfasst so den kosmischen Fingerabdruck des Lichts von jedem Objekt im Sichtfeld des Teleskops.

Um die für das Projekt benötigte Karte zu erstellen, werden die Astronominnen und Astronomen eine Milliarde Spektren kombinieren und insbesondere weit entfernte Galaxien suchen. Diese Galaxien sind zwischen 10 Milliarden und 11,7 Milliarden Lichtjahre entfernt. Sie repräsentieren also eine Epoche, in der das Universum nur wenige Milliarden Jahre alt war. Ihre Spektren enthalten Informationen darüber, wie schnell sich die Galaxien infolge der Expansion des Universums von uns wegbewegen.

HETDEX veröffentlichte bereits 15.000 Beobachtungen, die über eine Million Entdeckungen von astronomischen Objekten umfassen. AIP-Wissenschaftler Prof. Dr. Lutz Wisotzki, der Mitglied des HETDEX-Lenkungsausschusses ist, erklärt: „Diese Daten eröffnen eine Goldgrube für die vielfältigen Forschungsinteressen an unserem Institut, von den ältesten Sternen im Halo der Milchstraße über aktive Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien bis hin zu den gasförmigen Hüllen von Galaxien im jungen Universum“.

HETDEX ist eine große internationale Zusammenarbeit. Das Projekt wird von der University of Texas at Austin McDonald Observatory and Department of Astronomy geleitet, unter Beteiligung der Penn State University, der Ludwig-Maximilians-Universität München, des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik, des Instituts für Astrophysik, Göttingen, des Leibniz-Instituts für Astrophysik, Potsdam, der Texas A&M University, der University of Oxford, des Max-Planck-Instituts für Astrophysik, der University of Tokyo und der Missouri University of Science and Technology.

Das AIP, das Innovationszentrum für Faserspektroskopie und -sensorik innoFSPEC und das BMBF unterstützten die Potsdamer Beiträge für HETDEX.

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• Expansion des Universums

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Quelle: AIP.

Selbst mit den größten Teleskopen erscheinen die Oberflächen entfernter Sterne normalerweise nur als Lichtpunkte. Eine detaillierte Auflösung wird erst mittels einer speziellen Technik, der sogenannten Doppler-Tomographie, möglich. Dafür werden ein hochauflösender Spektrograph, ein großes Teleskop, ausreichend Beobachtungszeit und eine präzise Analysesoftware benötigt. Jede Linie im Spektrum eines Sterns kann als komprimiertes, eindimensionales Bild der Sternoberfläche betrachtet werden, die wenn der Stern rotiert, durch den Doppler-Effekt verbreitert wird. Hat ein Stern auf seiner Oberfläche Flecken, analog zu den Sonnenflecken auf unserer Sonne, werden diese durch den Doppler-Effekt verbreiterten Spektrallinien verformt. Mehrere Aufnahmen dieser Spektrallinien während einer kompletten Sternumdrehung können dann in eine zweidimensionale Temperatur- (oder Helligkeits-) Karte übersetzt werden. Die Methode, so eine ansonsten unaufgelöste Sternoberfläche abzubilden, ist mit der Kernspintomographie in der Medizin vergleichbar.

Das Instrument PEPSI (The Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument) geht jedoch einen entscheidenden Schritt weiter. Durch seine zwei Polarimeter, die dem Spektrographen zusätzlich polarisiertes Licht zuführen, kann auch der Einfluss des ansonsten versteckten Zeeman-Effekts erfasst werden. Der Zeeman-Effekt bezeichnet die Aufspaltung und Polarisation von Spektrallinien durch ein Magnetfeld. Wenn man den Zeeman-Effekt mit dem Doppler-Effekt kombiniert entschlüsselt, ist es möglich, die Magnetfeldgeometrie des Sterns zu rekonstruieren. Diese Kartographie in polarisiertem Licht nennt sich dann Zeeman-Doppler-Imaging.

Mit PEPSI-Beobachtungen am Large Binocular Telescope (LBT) gelang es einem Team von Astronomen des AIP, eine einmalige Serie hochaufgelöster polarisierter Spektren des rotierenden Sterns II Pegasi aufzuzeichnen. „Der Stern hat eine Rotationsdauer von 6,7 Tagen, weswegen er sich in Hinblick auf die benötigte Beobachtungszeit am LBT eignet,“ sagt der Autor der Studie und Projektleiter von PEPSI, Prof. Dr. Klaus Strassmeier vom AIP. „Und mit sieben aufeinanderfolgenden klaren Nächten hatten wir außerdem sehr viel Glück,“ ergänzt Dr. Ilya Ilyin, Wissenschaftler im PEPSI Projekt. Die Analyse der Beobachtungen erfolgte mit der am AIP entwickelten Software für hochaufgelöste Spektrallinienprofile iMap. Überraschend für das Wissenschaftlerteam war, dass sowohl warme als auch kalte Sonnenflecken rekonstruiert wurden und diese mit umgekehrter Polung erschienen.

„Die warmen Bereiche des Sterns zeigen eine positive Polung, während die meisten kalten Stellen eine negative oder gemischte Polung vorweisen,“ sagt Dr. Thorsten Carroll, Projektleiter von iMap. Die Fleckenverteilung auf II Peg hat keine direkte Entsprechung auf der Sonne. Die einzelnen Flecken erscheinen vergleichsweise riesig, rund tausendmal größer als die Flecken auf unserer Sonne. „Wir erklären die koexistierenden warmen Flecken auf II Peg mit dem Erhitzen durch eine Schockfront im Plasmafluss zwischen Regionen unterschiedlicher Polarität“, fasst Strassmeier zusammen.

„PEPSI ist sowohl als Spektrograph als auch als Spektropolarimeter einzigartig in der heutigen Welt astronomischer Instrumente und wird bedeutende Beiträge zur Sternphysik leisten“, fügt Christian Veillet, Direktor des LBT Observatory, hinzu. „Die Notwendigkeit, die Sterne, die Exoplaneten beherbergen, sowie die Planeten selbst durch Transitbeobachtungen zu charakterisieren, wird PEPSI zu einem gefragten Instrument für die Mitglieder der LBT-Gemeinschaft machen.“

Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Originalpublikation:
K. G. Strassmeier, T. A. Carroll, & I. V. Ilyin, Warm and cool starspots with opposite polarities. A high-resolution Zeeman-Doppler-Imaging study of II Pegasi with PEPSI, A&A, im Druck; arXiv:190211201S

Weiterführende Informationen:

• Pressemitteilung des LBT: Mapping Stars with PEPSI
• PEPSI Overview

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Ein Beitrag von Axel Nantes. Quelle: Airbus Defence and Space, Arianespace, NASA, SES, SpaceX.

Die für einen Betrieb im Geostationären Orbit (GEO) vorgesehenen Kommunikationssatelliten SES 12 und SES 14 tauschen ihre Startgelegenheiten, gab SES am 28. August 2017 bekannt. Der Tausch dient laut SES der Verbesserung von Kontinuität und Service für die Kunden von SES. Dabei gelte für beide Satelliten, dass sie mit elektrischen Antrieben für nötige Bahnanhebungen nach dem Start ausgerüstet wurden und zwischen vier und sechs Monaten nach dem Start ihren kommerziellen Einsatz aufnehmen sollen. Die elektrischen Antriebe sind auf den künstlerischen Darstellungen der Satelliten an den Auslegern zu erkennen, die im Bild links und rechts von den Hauptkörpern aus nach oben zeigen. (SES 12 besitzt nach Angaben des Branchendienstes Spacenews ein chemisches Antriebssystem als Backup).

Die von Safran/Snecma gelieferten Hall-Effekt-Triebwerke vom Typ PPS-5000 zum Betrieb in einem Leistungsbereich zwischen 2 und 5 Kilowatt verwenden das Edelgas Xenon als auszustoßende Stützmasse. Sie haben einen Schub im Bereich von etwas unter 0,2 und etwas über 0,3 Newton, lassen sich jedoch sehr ausdauernd einsetzen. 15.000 Betriebsstunden soll ein einzelnes solches Triebwerk ableisten können. Montiert sind die vier Triebwerke pro Satellit paarweise an den schwenk- und richtbaren Auslegern.

SES 12 sollte ursprünglich Ende 2017 auf einer Rakete vom Typ Ariane 5 ECA gestartet werden. Jetzt ist das erste Quartal 2018 für den Start des Satelliten anvisiert. Als Trägerrakete ist nun eine Falcon 9 von SpaceX eingeplant.

Airbus Defence and Space ist Hersteller von SES 12, welcher auf dem Satellitenbus E3000EOR basiert und 2014 von SES bestellt worden war. Das bis dato größte für SES gebaute Raumfahrzeug mit einer voraussichtlichen Startmasse von rund 5.300 Kilogramm soll im GEO bei 95 Grad Ost positioniert werden. Von dort aus will SES Nutzer im asiatisch-pazifischen Raum und im Mittleren Osten mit direkt ausgestrahlten Fernsehprogrammen sowie Verbindungen für Netzwerke und Mobilfunkanwendungen versorgen. Insbesondere die als schnell wachsend betrachteten Märkte in Indien und Indonesien möchte SES mit SES 12 bedienen.

NSS 6, gebaut von Lockheed Martin und gestartet am 17. Dezember 2002, soll von SES 12 ersetzt werden. Mit SES 8 soll SES 12 in Kolokation betrieben werden. Von Zypern im Westen bis Japan im Osten, sowie von Russland im Norden bis Australien im Süden könnte der neue Satellit künftig genutzt werden. Der Kommunikationsnutzlast des dreiachstabilisierten Satelliten wird eine elektrische Leistung von rund 19 Kilowatt zur Verfügung stehen, die von zwei Solarzellenauslegern bereitzustellen ist. Die Auslegungsbetriebsdauer von SES 12 beträgt 15 Jahre.

Auf einer Falcon 9 von SpaceX sollte SES 14 gestartet werden – gedacht war an einen Start im vierten Quartal 2017. Jetzt ist sein Start auf einer von Arianespace vermarkteten Ariane-5-Rakete zu Beginn des ersten Quartals 2018 geplant.

SES 14 ist ebenfalls ein Produkt von Airbus Defence and Space, war Anfang 2015 bestellt worden und basiert auf der Plattform E3000EOR. Für eine Position bei 47,5 Grad West im GEO gedacht wird NSS 806 ersetzen und SES insbesondere der Unterstützung von Kabelnetzen in Lateinamerika dienen. 12 Transponder von NSS 806, der wie NSS 6 eine Konstruktion von Lockheed Martin ist, sind zwischenzeitlich ausgefallen, war im Juli 2017 bekannt geworden. NSS 806 kreist seit dem 28. Februar 1998 um die Erde und ist also deutlich älter als NSS 6. SES 14 ist außerdem dazu gedacht, die von O3b insbesondere mit eigenen Satelliten auf Erdumlaufbahnen in mittleren Höhen bereitgestellten Kapazitäten zu ergänzen.

Mit den K_u– und K_a-Band-Transpondern soll SES 14 in mehreren Ausleuchtzonen Verbindungen mit hohem Durchsatz zur Verfügung stellen – beispielsweise für die Nutzung in Luft- und Seefahrt im Bereich des Nordatlantik. Im C- und im K_u-Band will man via SES 14 wenige große Ausleuchtzonen bedienen, die den Direktempfang von Fernsehprogrammen und Kabelkopfstationen in Nord- und Südamerika adressieren.

An Bord von SES 14 befindet sich außerdem eine Weltraumwetter-Forschungsnutzlast für die US-amerikanische Luft- und Raumfahrtagentur (NASA). Das System ist dazu gedacht, im Rahmen eines GOLD für „Global-Scale Observations of the Limb and Disk“ genannten Programms Daten zur Untersuchung der Auswirkungen der Strahlung der Sonne auf Ionosphäre und Thermosphäre der Erde zu liefern. Das Forschungsprojekt wird von der Universität Zentralflorida (University of Central Florida, UCF) geleitet.

Das Beobachtungsinstrument für den GOLD-Anteil auf SES 14, ein bildgebender, zweikanaliger Spektrograph für Wellenlängen zwischen 132 und 160 Nanometern (UV-C), wurde vom Labor für Atmosphären- und Weltraumphysik (Laboratory for Atmospheric and Space Physics, LASP) der Universität Colorado (University of Colorado Boulder, CU Boulder) gebaut. Im Januar 2017 war das Instrument mit einer Masse von rund 37 Kilogramm zu Airbus Defence and Space nach Toulouse gebracht worden, wo man es anschließend in SES 14 integriert hatte.

Die Startmasse von SES 14 bewegt sich im Bereich zwischen 4.000 und 4.200 Kilogramm. Sein Antriebssystem nutzt ausschließlich elektrische Triebwerke. Triebwerke, Kommunikations- und Forschungsnutzlast von SES 14 bekommen die erforderliche elektrische Energie von zwei Solarzellenauslegern. Die Auslegungsbetriebsdauer des dreiachsstabilisierten Satelliten beträgt 15 Jahre.

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• neue Verträge

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Ein Beitrag von Claudia Michalecz. Quelle: ESO.

Über zwei Jahre lang dauerte bisher das sorgfältige Studium des Sterns HD69830 und belohnt wurden die Forscher mit der Entdeckung von gleich drei Planeten, welche unserem Neptun von der Masse her ähnlich sind. „Zum ersten Mal haben wir ein Planetensystem, bestehend aus mehreren Planeten mit der Masse des Neptuns entdeckt“, erklärt Christophe Lovis vom Geneva Observatorium. Dieses planetarische System wird außerdem noch von einem Asteroidengürtel umschlossen (wobei dieser jedoch von Spitzer entdeck wurde).

Die Entdeckung ist mit der Hilfe des ultragenauen HARPS-Spektographen des 3,6m-Teleskops der ESO in La Silla (Chile) gemacht worden. Der Stern musste aus einer Entfernung von etwa 41 Lichtjahren erforscht werden. Er befindet sich im Sternbild Puppis (am Südhimmel zu sehen) und ist mit dem freien Auge sichtbar. Den Astronomen gelang es, durch ihre äußerst genauen Radialgeschwindigkeitsmessungen die Anwesenheit von drei kleinen Begleitern zu entdecken. Diese Planeten benötigen für eine Umkreisung ihres Heimatsterns 8,67 Tage, 31,6 Tage und 197 Tage.

Die Radialgeschwindigkeit gibt an, in welchem Maße sich ein Stern von uns weg oder sich auf uns zu bewegt. Diese Schwankungen werden durch die Anziehungskraft von umkreisenden Planeten verursacht. Durch die Messung dieser Schwankungen lässt sich eine untere Grenze der Masse der umkreisenden Planeten bestimmen. Die gemessene Radialgeschwindigkeitsänderung von HD69830 liegt zwischen zwei und drei Metern pro Sekunde, was 9 km/h entspricht. Solche kleinen Signale könnten von den meisten verfügbaren Spektrographen nicht von den normalen Nebengeräuschen unterschieden werden. „Nur ESOs HARPS-Instrument, installiert im La-Silla-Observatorium in Chile, machte es möglich, diese Planeten zu entdecken“, meint Michael Mayor, ebenfalls vom Geneva-Observatorium und der Haupterforscher im Umgang mit HARPS. „Ohne jeden Zweifel ist es zurzeit die weltweit genaueste Planeten jagende Maschine.“
Die Masse der neulich entdeckten Planeten liegt mindestens zwischen der 10- bis 18-fachen Masse der Erde. Ausführliche theoretische Simulationen haben ergeben, dass der innere Planet vermutlich hauptsächlich aus Gestein besteht, während der mittlere der drei aus einer Mischung von Gas und Gestein bestehen dürfte. Am Interessantesten dürfte der äußerste der drei Begleiter von HD69830 sein. Es wird vermutet, dass sich während seiner Entstehung Eis im Kern des Gebildes abgelagert hat, welches sich mit Gestein vermengt hat. Sein Kern aus Eis und Gestein wird vermutlich von einer massiven Hülle umschlossen.

Der äußerste der Planeten scheint sich zusätzlich am Rande der bewohnbaren Zone zu befinden. Innerhalb dieser Zone kann flüssiges Wasser auf der Oberfläche eines Stein- und Eisplaneten existieren. Selbst wenn dieser Planet vermutlich durch seine Masse nicht erdähnlich ist, ermöglicht seine Entdeckung jedoch vielleicht neue Wege zu aufregenden Perspektiven. Mit drei sehr masseähnlichen Planeten, wobei einer sich in der bewohnbaren Zone befindet und einem Asteroidengürtel, teilt dieses Planetensystem viele Eigenschaften unseres Sonnensystems. Michael Mayer verglich diesen Fund sogar mit dem Stein von Rosette für unser Verständnis zur Bildung von Planeten.

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