Das Jahr 1917 war eine Zeit, als man sich noch nicht mal sicher war, dass es andere Galaxien als unsere eigene gibt. Es war eine Zeit, als unsere Vorfahren mitten im Ersten Weltkrieg steckten, und „Exoplanetenjägerin“ noch keine anerkannte Berufsbezeichnung war: Es war eine Zeit, zu der der Astronom Adriaan van Maanen sein Teleskop gen Himmel richtete und etwas entdeckte, was als Van Maanens Stern bekannt werden sollte.

Diesen ganz besonderen Stern hat er zwar definitiv entdeckt. Aber was sich in der Atmosphäre dieses Sterns wirklich versteckte, zeigte sich erst viel später.

Franzi erzählt die Geschichte von Adriaan van Maanen und seinem Stern. Es ist eine Geschichte über einen Pechvogel der Astronomie und über die Zukunft unseres eigenen Sonnensystems.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle zwei Wochen eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

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• Weiße Zwerge

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• AstroGeo Podcast

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

Sternsysteme wie unser Sonnensystem entstehen in interstellaren Wolken aus Gas und Staub, die kollabieren und junge Sterne bilden. Diese sind in eine protoplanetare Scheibe eingebettet, in der Planeten entstehen und den Raum um sich herum frei räumen – wie kürzlich in bereits entwickelten Systemen beobachtet, bei denen die Mutterwolke schon aufgebraucht war. Beobachtungen mit ALMA haben nun eine protoplanetare Scheibe gezeigt, die einerseits eine große Lücke aufweist, die andererseits aber immer noch über ausgedehnte Gasfilamente von der umgebenden Wolke gespeist wird. Dies zeigt, dass die Akkretion von Material auf die protoplanetare Scheibe länger andauert als bisher angenommen, was sich auf die Entwicklung des zukünftigen Planetensystems auswirkt.

Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Dr. Felipe Alves vom Zentrum für Astrochemische Studien (CAS) am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) verwendete das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), um den Akkretionsprozess im stellaren Objekt [BHB2007] 1 zu untersuchen, einem System an der Spitze der Pfeifennebels. Die ALMA-Daten zeigen eine Scheibe aus Staub und Gas um den Protostern und große Gasfilamente um diese Scheibe herum. Die Wissenschaftler interpretieren diese Filamente als Akkretionsströme, die die Scheibe mit Material aus der umgebenden Wolke speisen. Die Scheibe bereitet das einströmende Material weiter auf und führt es dem Protostern zu. Die beobachtete Struktur ist sehr ungewöhnlich für stellare Objekte in diesem Entwicklungsstadium – bei einem Alter von etwa 1.000.000 Jahren – wenn sich die zirkumstellare Scheibe bereits gebildet hat und reif ist für die Entstehung von Planeten. „Wir waren ziemlich überrascht zu beobachten, dass es so markante Akkretionsfilamente gibt, die auf die Scheibe einfallen“, sagt Alves. „Die Aktivität dieser Filamente zeigt, dass die Scheibe immer noch wächst, während sie gleichzeitig den Protostern ernährt.“

Das Team fand auch einen riesigen Hohlraum innerhalb der Scheibe. Der Hohlraum hat eine Breite von 70 Astronomischen Einheiten und umfasst einen kompakten Bereich aus heißem molekularem Gas. Darüber hinaus weisen zusätzliche Daten des Very Large Array (VLA) bei Radiofrequenzen darauf hin, dass an derselben Stelle, an der das heiße Gas detektiert wurde, nichtthermische Emission vorhanden ist. Beide Beweisketten deuten darauf hin, dass sich ein „substellares“ Objekt – ein junger Riesenplanet oder Brauner Zwerg – in dem Hohlraum befindet. Wenn dieser Begleiter Material von der Scheibe akkretiert, heizt er das Gas auf und treibt möglicherweise starke ionisierte Winde und/oder Jets an. Das Team schätzt, dass ein Objekt mit einer Masse zwischen 4 und 70 Jupitermassen nötig ist, um die beobachtete Lücke in der Scheibe zu erzeugen.

„Wir stellen hier einen neuen Fall von Stern- und Planetenentstehung vor, bei dem sich beide Objekte gleichzeitig bilden“, erklärt Paola Caselli, Direktorin am MPE und Leiterin der CAS-Gruppe. „Unsere Beobachtungen liefern starke Hinweise darauf, dass protoplanetare Scheiben auch nach Beginn der Planetenentstehung weiter Material sammeln. Dies ist eine wichtige Information, weil das frische Material, das auf die Scheibe fällt, sowohl die chemische Zusammensetzung des zukünftigen Planetensystems als auch die dynamische Entwicklung der gesamten Scheibe beeinflusst.“ Diese Beobachtungen bringen zudem Einschränkungen für die Zeitskala der Entstehung von Planeten und die Entwicklung der Scheibe mit sich und werfen ein Licht darauf, wie Sternsysteme wie unser Sonnensystem aus der ursprünglichen Wolke gebildet werden.

Original-Veröffentlichung
Felipe O. Alves, L. Ilsedore Cleeves, Josep M. Girart, Zhaohuan Zhu, Gabriel A. P. Franco, Alice Zurlo und Paola Caselli.
„A Case of Simultaneous Star and Planet Formation„
Astrophysical Journal Letters, 904 L6

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• Sternentwicklung

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Quelle: ESON.

Eine Gruppe von Astronomen der Europäischen Südsternwarte (ESO) und anderer Institute hat ein Schwarzes Loch entdeckt, das nur 1000 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Das Schwarze Loch ist näher an unserem Sonnensystem als jedes andere bisher gefundene und ist Teil eines Dreifachsystems, das mit dem bloßen Auge sichtbar ist. Das Team fand den Nachweis für das unsichtbare Objekt, indem es seine beiden Begleitsterne mit dem 2,2-Meter-Teleskop MPG/ESO am La-Silla-Observatorium der ESO in Chile nachverfolgte. Sie sagen, dass dieses System nur die Spitze des Eisbergs sein könnte, da in Zukunft noch viele weitere ähnliche Schwarze Löcher gefunden werden könnten.

„Wir waren völlig überrascht, als wir feststellten, dass dies das erste Sternsystem mit einem Schwarzen Loch ist, das man mit bloßem Auge sehen kann“, sagt Petr Hadrava, emeritierter Wissenschaftler an der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik in Prag und Mitverfasser der Forschungsarbeit. Das System befindet sich im Sternbild Telescopium und ist uns so nahe, dass seine Sterne von der Südhalbkugel aus in einer dunklen, klaren Nacht ohne Fernglas oder Teleskop beobachtet werden können. „Dieses System enthält das der Erde nächstgelegene Schwarze Loch, von dem wir wissen“, sagt der ESO-Wissenschaftler Thomas Rivinius, der die heute in Astronomie & Astrophysik veröffentlichte Studie leitete.

Das Team beobachtete das System mit der Bezeichnung HR 6819 ursprünglich als Teil einer Studie über Doppelsternsysteme. Als sie ihre Beobachtungen analysierten, waren sie jedoch verblüfft, als sie einen dritten, bisher unentdeckten Körper in HR 6819 entdeckten: ein Schwarzes Loch. Die Beobachtungen mit dem FEROS-Spektrographen am MPG/ESO-2,2-Meter-Teleskop in La Silla zeigten, dass einer der beiden sichtbaren Sterne alle 40 Tage ein unsichtbares Objekt umkreist, während der zweite Stern sich in großer Entfernung von diesem inneren Paar befindet.

Dietrich Baade, emeritierter Astronom an der ESO in Garching und Mitautor der Studie, sagt: „Die Beobachtungen, die zur Bestimmung des Zeitraums von 40 Tagen notwendig waren, mussten über mehrere Monate verteilt werden. Dies war nur dank des bahnbrechenden Service-Beobachtungsschemas der ESO möglich, bei dem die Beobachtungen von ESO-Mitarbeitern im Namen der Wissenschaftler, die sie benötigen, durchgeführt werden“.

Das verborgene Schwarze Loch in HR 6819 ist eines der allerersten gefundenen Schwarzen Löcher mit stellarer Masse, die nicht gewaltsam mit ihrer Umgebung interagieren und daher wirklich schwarz erscheinen. Aber die Forscher konnten seine Anwesenheit ausmachen und seine Masse berechnen, indem sie die Umlaufbahn des Sterns im inneren Paar untersuchten. „Ein unsichtbares Objekt mit einer Masse, die mindestens viermal so groß ist wie die der Sonne, kann nur ein Schwarzes Loch sein“, folgert Rivinius, der in Chile ansässig ist.

Astronomen haben bisher nur ein paar Dutzend Schwarze Löcher in unserer Galaxie entdeckt, die fast alle in starker Interaktion mit ihrer Umgebung stehen und ihre Anwesenheit durch die Freisetzung starker Röntgenstrahlung in dieser Wechselwirkung verraten. Wissenschaftler schätzen jedoch, dass im Laufe der Lebenszeit der Milchstraße viel mehr Sterne zu Schwarzen Löchern kollabierten, als diese ihr Leben beendeten. Die Entdeckung eines stillen, unsichtbaren Schwarzen Lochs in HR 6819 gibt Hinweise darauf, wo sich die vielen versteckten Schwarzen Löcher in der Milchstraße befinden könnten. „Es muss Hunderte von Millionen Schwarzer Löcher geben, aber wir wissen nur von sehr wenigen. Wenn wir wissen, wonach wir suchen müssen, sollten wir besser in der Lage sein, sie zu finden“, sagt Rivinius. Baade fügt hinzu, dass die Suche nach einem Schwarzen Loch in einem Dreifachsystem so nahe beieinander bedeutet, dass wir nur „die Spitze eines aufregenden Eisbergs“ sehen.

Schon jetzt glauben die Astronomen, dass ihre Entdeckung Aufschluss über ein zweites System geben könnte. „Wir erkannten, dass ein anderes System, genannt LB-1, ebenfalls ein solches Dreifachsystem sein könnte, auch wenn wir mehr Beobachtungen benötigen würden, um dies sicher sagen zu können“, sagt Marianne Heida, eine Postdoc-Stipendiatin der ESO und Mitautorin der Arbeit. „LB-1 ist etwas weiter von der Erde entfernt, aber astronomisch gesehen immer noch ziemlich nah, was bedeutet, dass wahrscheinlich noch viel mehr dieser Systeme existieren. Wenn wir sie finden und untersuchen, können wir viel über die Entstehung und Entwicklung dieser seltenen Sterne lernen, die ihr Leben mit mehr als etwa der achtfachen Masse der Sonne beginnen und in einer Supernova-Explosion enden, die ein Schwarzes Loch hinterlässt.“

Die Entdeckungen dieser Dreifachsysteme mit einem inneren Paar und einem fernen Stern könnten auch Hinweise auf die heftigen kosmischen Verschmelzungen liefern, die Gravitationswellen freisetzen, die stark genug sind, um auf der Erde entdeckt zu werden. Einige Astronomen glauben, dass diese Verschmelzungen in Systemen mit einer ähnlichen Konfiguration wie HR 6819 oder LB-1 stattfinden können, bei denen das innere Paar jedoch aus zwei Schwarzen Löchern oder aus einem Schwarzen Loch und einem Neutronenstern besteht. Das entfernte äußere Objekt kann das innere Paar durch Gravitation so beeinflussen, dass es eine Verschmelzung und die Freisetzung von Gravitationswellen herbeiführt. Obwohl HR 6819 und LB-1 nur ein Schwarzes Loch und keine Neutronensterne haben, könnten diese Systeme den Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie es zu Sternkollisionen in Dreifachsternsystemen kommen kann.

Weitere Informationen

Diese Forschung wurde in dem heute in Astronomy & Astrophysics veröffentlichten Artikel „A naked-eye triple system with a nonaccreting black hole in the inner binary“ vorgestellt.

Das Team besteht aus Th. Rivinius (Europäische Südsternwarte, Santiago, Chile), D. Baade (Europäische Südsternwarte, Garching, Deutschland [ESO Deutschland]), P. Hadrava (Astronomisches Institut, Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik, Prag, Tschechische Republik), M. Heida (ESO Deutschland) und R. Klement (The CHARA Array of Georgia State University, Mount Wilson Observatorium, Mount Wilson, USA).

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Die Organisation hat 16 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Hinzu kommen das Gastland Chile und Australien als strategischer Partner. Die ESO führt ein ehrgeiziges Programm durch, das sich auf die Planung, den Bau und den Betrieb leistungsfähiger bodengebundener Beobachtungseinrichtungen konzentriert, die es Astronomen ermöglichen, wichtige wissenschaftliche Entdeckungen zu machen. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle.

Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope (VLT) und das weltweit führende Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope: VISTA im Infrarotbereich und das VLT Survey Telescope (VST) für sichtbares Licht. Am Paranal wird die ESO zukünftig außerdem das Cherenkov Telescope Array South beherbergen und betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlenobservatorium der Welt. Die ESO ist zusätzlich einer der Hauptpartner bei zwei Projekten auf Chajnantor, APEX und ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das Extremely Large Telescope (ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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• Schwarze Löcher

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

Sterne entstehen, sobald gewaltige interstellare Gas- und Staubwolken unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren. Durch die dabei erfolgende stete Zunahme von Druck und Temperatur im Zentrum der hauptsächlich aus Wasserstoff bestehenden Wolken wird schließlich ein Punkt erreicht, an dem das sogenannte „Wasserstoffbrennen“, also die Kernfusion, einsetzt. Dabei verschmelzen die Wasserstoff-Isotope in mehreren Zwischenschritten zu Helium. Die Gravitationskraft des sich bildenden Sterns zieht währenddessen weitere Materie in Form von Gas und Staub aus der näheren Umgebung an, welche sich schließlich in einer dichten, abgeflachten Scheibe sammelt.

Die in dieser „protoplanetaren Scheibe“ konzentrierte Materie verklumpt in einem mehrere hunderttausend Jahre andauernden Prozess zu immer größeren Objekten, aus denen Planetesimale hervorgehen. Durch gravitative Einflüsse und Kollisionen werden aus diesen Planetesimalen zuerst Protoplaneten und schließlich Planeten.

Da die Entwicklung von einer protoplanetaren Scheibe zu einem voll ausgebildeten Planetensystem vergleichsweise schnell vonstatten geht, sind den Astronomen bisher nur sehr wenige Objekte bekannt, bei denen sich dieses Entwicklungsstadium beobachten lässt. Eines dieser Objekte ist das Sternsystem T Cha. Hierbei handelt es sich um einen lichtschwachen und etwa 350 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernten Stern in dem unauffälligen Sternbild Chamäleon, welches man von der südlichen Hemisphäre der Erde aus beobachten kann.

T Cha ist ein sonnenähnlicher Stern aus der Klasse der T-Tauri-Sterne. Diese Sterne, benannt nach dem Prototypen T Tauri im Sternbild Stier, befinden sich noch in einem sehr frühen Stadium ihrer Entwicklung. In ihren Kernbereichen reichen Druck und Temperatur noch nicht aus, um das Wasserstoffbrennen anzuregen. Das Alter von T Cha wird von den Astronomen auf etwa sieben Millionen Jahre geschätzt. Die Untersuchung von T-Tauri-Sternen ist für Astronomen und Astrophysiker von großer Bedeutung für das Verständnis der ersten Stadien der Sternentwicklung und der Klärung der Frage, unter welchen Umständen sich Planetensysteme bilden können.

„Frühere Studien zeigten, dass T Cha ein lohnendes Ziel sein könnte, wenn man untersuchen will, wie Planetensysteme entstehen“, so Johan Olofsson vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg. Johan Olofsson ist einer der Erstautoren von zwei Artikeln in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“, mit denen die neuen Forschungsergebnisse publiziert wurden. „Allerdings ist T Cha relativ weit von uns entfernt. Daher brauchten wir leistungsstarke Instrumente wie das Very Large Telescope Interferometer, um Details aufzulösen und nachweisen zu können, was in der Staubscheibe vorgeht.“

Für ihre Untersuchungen beobachtete das Astronomen-Team den Stern T Cha zuerst mit dem AMBER-Instrument am VLT-Interferometer (VLTI), welches sich am Paranal-Obervatorium der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile befindet. Bei AMBER (Astronomical Multi-BEam combineR, zu deutsch „Astronomisches Instrument zur Kombination verschiedener Lichtstrahlen“) handelt es sich um ein Instrument, welches im nahen Infrarotbereich arbeitet und eine Winkelauflösung bis hinunter zu zwei Millibogensekunden erreichen kann. Dabei wird das Licht von allen vier Hauptteleskopen des VLT zu einem virtuellen Teleskop mit einem Durchmesser von 130 Metern kombiniert. AMBER wurde von einem Konsortium, welches aus mehreren französischen und italienischen Instituten sowie dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn besteht, in Zusammenarbeit mit der ESO entwickelt und gebaut.

Bei ihren Beobachtungen stellten die Wissenschaftler fest, dass ein Teil des Scheibenmaterials, welches T Cha umgibt, einen dünnen Staubring in einem Abstand von lediglich etwa 20 Millionen Kilometern vom Stern gebildet hat. An diesen inneren Bereich der protoplanetaren Scheibe schließt sich ein Bereich an, der frei von Staub ist. Dahinter befindet sich der äußere Teil der Scheibe, welcher bei einem Abstand von etwa 1,1 Milliarden Kilometern zum Zentralstern beginnt.

„Diese Lücke in der Staubscheibe um T Cha war für uns ein eindeutiger Hinweis. Offenbar hatten wir hier erstmals direkt beobachtet, wie der Begleiter eines Sterns sich eine Schneise in die protoplanetaren Scheibe gräbt“, so Nuria Huélamo vom spanischen Centro de Astrobiología, die Erstautorin der zweiten Veröffentlichung. An dieser Stelle begannen die Herausforderungen für die Astronomen, denn einen lichtschwachen Begleiter direkt zu beobachten, welcher sich in unmittelbarer Nähe zu einen viel helleren Stern befindet, stellt eine große Herausforderung dar. Um den vermeintlichen Begleiter trotzdem abzubilden, benutzte das Team das VLT-Instrument „NACO“.

Bei NACO handelt es sich um ein aus zwei Komponenten bestehendes Instrument, welches die von dem beobachteten Stern ausgehende Wärmestrahlung registriert. Mit der adaptiven Optik „NAOS“ (Nasmyth Adaptive Optics System) lassen sich Störeffekte kompensieren, welche durch Luftunruhen in der Erdatmosphäre verursacht werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Schärfe der anzufertigenden Bildaufnahmen signifikant zu verbessern. Bei CONICA, der „COudé Near-Infrared CAmera“, handelt es sich um eine Kombination aus einer Kamera und einem Spektrographen. Beide Einzelinstrumente wurden von einem französischen Konsortium, dem Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und dem Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching in Zusammenarbeit mit der ESO entwickelt.

Nach einer sorgfältigen Analyse der gewonnenen Daten entdeckten die Wissenschaftler tatsächlich ein deutliches Signal von einem Objekt in der Lücke der Staubscheibe, welches sich nahe am äußeren Scheibenrand in einer Entfernung von etwa einer Milliarde Kilometern zum Zentralstern befindet (dies entspricht etwas mehr als dem Abstand des Planeten Jupiter von unserer Sonne). Diese Entdeckung, so die beteiligten Wissenschaftler, ist der erste direkte Nachweis eines Objektes, welches deutlich kleiner als ein Stern ist und sich zudem in einer Lücke innerhalb einer protoplanetaren Staubscheibe um einen jungen Stern befindet.

Die Astronomen führten ihre Suche mit dem NACO-Instrument in zwei verschiedenen Spektralbereichen, bei 2,2 Mikrometern und bei 3,8 Mikrometern, durch. Dabei gelang der Nachweis des Sternbegleiters aber lediglich im längeren Spektralbereich bei 3,8 Mikrometern. Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass das gefundene Objekt entweder sehr kalt ist, was auf einen Planeten hindeutet, oder aber, dass es sich hierbei um einen in Staub eingehüllten „Braunen Zwerg“ handeln muss. Braune Zwerge stellen ein Mittelding zwischen Sternen und Planeten dar. Sie sind größer als Gasplaneten wie der Jupiter in unserem Sonnensystem und verfügen dabei auch über deutlich mehr Masse. Diese Masse reicht jedoch nicht aus, um den in ihrem Inneren befindlichen Wasserstoff zur Kernfusion anzuregen.

„Diese Studie hat auf bemerkenswerte Art und Weise die Daten von zwei verschiedenen Hochleitstungsinstrumenten am Paranal-Observatorium kombiniert. Mit zukünftigen Beobachtungen wollen wir jetzt mehr über den Begleiter und die Scheibe in Erfahrung bringen und damit zum Beispiel die Frage klären, woher der Staub im inneren Bereich der Scheibe stammt“, so Nuria Huélamo.

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Fachartikel:

• Warm dust resolved in the cold disk around TCha with VLTI/AMBER (engl.)
• A companion candidate in the gap of the T Cha transitional disk (engl.)

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