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I. Physikalisches Institut, Universität zu Köln

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Das Alter von stellaren Kinderstuben

Astrochemische Altersbestimmung durch Moleküllinienbeobachtungen mit SOFIA und APEX

17. November 2014

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des Sonderforschungsbereichs 956 „Bedingungen und Auswirkungen der Sternentstehung“ an der Universität zu Köln hat Beobachtungsdaten vom GREAT-Empfänger an Bord des Flugzeug-Observatoriums SOFIA sowie vom APEX-Teleskop in Chile dazu verwendet, das Alter eines Sternentstehungsgebiets in einer interstellaren Wolke genau zu bestimmen. Im Zentrum der Wolke entsteht eine Gruppe von sonnenähnlichen Sternen. Das Resultat, zu dem auch Wissenschaftler von der Universität Helsinki sowie der beiden Max-Planck-Institute für Radioastronomie (Bonn) und für extraterrestrische Physik (Garching) beigetragen haben, wird in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht.
Unser eigenes Sonnensystem entstand vor vielen Milliarden Jahren, als eine interstellare Molek&uuml;lwolke sich verdichtete und unseren Protostern bildete &ndash; die sp&auml;tere Sonne. Eine Dauer von mindestens einer Million Jahre konnte nun f&uuml;r diese erste stellare Evolutionsstufe, der Kontraktion zum sonnen&auml;hnlichen protostellaren System IRAS 16293-2422 im 400 Lichtjahre entfernten Sternbild Ophiuchus (Schlangentr&auml;ger, Hintergrundbild), bestimmt werden. Dies wurde m&ouml;glich durch die Verwendung von molekularem Wasserstoff, H<sub>2</sub>, als chemische Uhr. Da Wasserstoff nicht direkt beobachtbar ist, wurde stattdessen das chemisch eng verwandte H<sub>2</sub>D<sup>+</sup> Ion beobachtet. Die astronomischen Beobachtungen wurden im submm- und fern-infraroten Wellenl&auml;ngenbereich mit dem erdgebunden APEX Teleskop in den chilenischen Anden und dem Flugzeug-Observatorium SOFIA durchgef&uuml;hrt. Bild vergrößern
Unser eigenes Sonnensystem entstand vor vielen Milliarden Jahren, als eine interstellare Molekülwolke sich verdichtete und unseren Protostern bildete – die spätere Sonne. Eine Dauer von mindestens einer Million Jahre konnte nun für diese erste stellare Evolutionsstufe, der Kontraktion zum sonnenähnlichen protostellaren System IRAS 16293-2422 im 400 Lichtjahre entfernten Sternbild Ophiuchus (Schlangenträger, Hintergrundbild), bestimmt werden. Dies wurde möglich durch die Verwendung von molekularem Wasserstoff, H2, als chemische Uhr. Da Wasserstoff nicht direkt beobachtbar ist, wurde stattdessen das chemisch eng verwandte H2D+ Ion beobachtet. Die astronomischen Beobachtungen wurden im submm- und fern-infraroten Wellenlängenbereich mit dem erdgebunden APEX Teleskop in den chilenischen Anden und dem Flugzeug-Observatorium SOFIA durchgeführt. [weniger]

Sterne wie unsere Sonne und ihre Planetensysteme bilden sich im Inneren von Wolken aus Gas und Staub in unserer Milchstraße, den Kinderstuben für die Entstehung neuer Sterne. Die Entwicklung eines neuen Sterns beginnt mit der Kontraktion von bereits verdichtetem Material im Inneren der Wolke bis zur Bildung eines embryonalen so genannten Protosterns. Wie diese Entwicklung genau abläuft, und auf welcher Zeitskala sich der Kollaps zu einem Protostern ereignet, ist nicht genau bekannt. Strömt das Gas aufgrund der Schwerkraft im freien Fall Richtung Zentrum oder wird der Kollaps durch bestimmte Faktoren verlangsamt? „Da diese Entwicklung wesentlich mehr Zeit braucht als die gesamte Geschichte der Menschheit, können wir sie nicht über den gesamten Ablauf hin verfolgen“, sagt Sandra Brünken von der Universität zu Köln, die Erstautorin der Studie. „Statt dessen benötigen wir eine innere Uhr, um das Alter der jeweiligen Sternentstehungsregion bestimmen zu können.“  

Das Wasserstoffmolekül (H2), das mit Abstand häufigste Molekül im Weltraum, könnte als eine Art „chemische“ innere Uhr dienen. Molekularer Wasserstoff tritt in zwei unterschiedlichen Formen auf, die als ortho- und para-Wasserstoff bezeichnet werden und sich durch die unterschiedliche Orientierung der Spins der beiden Wasserstoffkerne unterscheiden. In den dichten und kalten Molekülwolken, aus denen sich Sterne bilden, ändert sich die relative Häufigkeit der beiden Formen stetig mit der Zeit aufgrund von chemischen Austausch-Reaktionen. Deshalb kann das gemessene Häufigkeitsverhältnis als Maß dafür genommen werden, wieviel Zeit seit der Entstehung der Wasserstoffmoleküle, und damit auch der Molekülwolke selbst,  verstrichen ist. Leider ist es nicht möglich, H2 direkt in den sehr kalten interstellaren Brutstätten neuer Sterne nachzuweisen. Stattdessen kann aber die ionisierte Variante H2D+ beobachtet werden, bei der ein Deuterium-Kern (schweres Wasserstoff-Isotop) an das H2-Molekül angebunden ist. Tatsächlich emittieren und absorbieren die beiden ortho- und para-Formen von H2D+ Strahlung bei bestimmten charakteristischen Wellenlängen, wobei diese Spektrallinien mit unterschiedlichen Teleskopen nachgewiesen werden können. „Wir wissen sowohl durch eigene Laborexperimente als auch von der Theorie her, dass H2D+  eine sehr enge chemische Beziehung zu H2 hat“, sagt Stephan Schlemmer von der Universität zu Köln, der diese Messungen vorgeschlagen hat. „Zum ersten Mal konnten wir nun beide Varianten von H2D+ beobachten und dadurch indirekt das Verhältnis von ortho-H2 zu para-H2 bestimmen. Das Ablesen dieser chemischen Uhr ergibt ein Alter von mindestens einer Million Jahre für die Muttermolekülwolke, aus der sich zur Zeit sonnenähnliche Sterne entwickeln.“ Das Ergebnis steht im Widerspruch zu Theorien, die eine viel schnellere Entstehung der Sterne vorhersagen.

Die astronomischen Beobachtungen stellten eine große Herausforderung dar. Die entscheidende Spektrallinie des para-H2D+ liegt im Ferninfraroten bei einer Wellenlänge von 219 µm, bei der die Erdatmosphäre die eintretende Strahlung nahezu komplett verschluckt. „Der erste eindeutige Nachweis war nur möglich durch die einzigartigen Qualitäten unseres GREAT-Instruments an Bord des Flugzeug-Observatoriums SOFIA“, sagt Jürgen Stutzki, dessen Forschungsabteilung an der Universität zu Köln am Bau von GREAT maßgeblich beteiligt war. SOFIA, eine umgebaute Boeing 747, beherbergt ein 2,7 m großes Teleskop, und kann in Höhen bis zu 14 km fliegen, weit oberhalb der absorbierenden Schichten der Erdatmosphäre.

Das Forscherteam hat die entsprechende Spektrallinie des ortho-H2D+ bei Millimeter-Wellenlängen mit dem APEX-Teleskop (Atacama Pathfinder Experiment) beobachtet, das in 5100 m Höhe in den chilenischen Anden steht. „Es ist phantastisch, diese Synergie zwischen beiden Teleskopen zu sehen“, sagt Karl Menten vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie, der Leiter des APEX-Projekts.

Das Alter der hier untersuchten Sternentstehungsregion, die sich im Sternbild Ophiuchus (Schlangenträger) in ca. 400 Lichtjahren Entfernung befindet, wurde dadurch bestimmt, dass die beobachteten Spektraldaten von beiden Teleskopen mit detaillierten Computersimulationen zur zeitlichen Entwicklung der Chemie verglichen wurden. „Die Simulationen haben uns einen genauen Einblick in das Uhrwerk unserer H2D+-Uhr ermöglicht“, erklärt Jorma Harju von der Universität Helsinki. „Wir konnten zeigen, dass diese neue chemische Uhr wesentlich genauer geht als alle anderen bisher verwendeten Uhren. Und was noch wichtiger ist, sie funktioniert auch dann noch, wenn alle anderen Uhren ihren Gang längst eingestellt haben.“ Das Forscherteam ist daher überzeugt, dass die neue Methode auch bei der Altersbestimmung von weiteren stellaren Geburtsstätten von großem Nutzen sein wird.

 

Hightech an Bord: Das Ferninfrarot-Spektrometer <em>Great</em> ist auf der Gegenseite in der Druckkabine an den Teleskopflansch angeschlossen. W&auml;hrend des Flugs bewegt sich das Instrument in einem Winkelbereich von &plusmn;20 Grad von der Senkrechten. Bild vergrößern
Hightech an Bord: Das Ferninfrarot-Spektrometer Great ist auf der Gegenseite in der Druckkabine an den Teleskopflansch angeschlossen. Während des Flugs bewegt sich das Instrument in einem Winkelbereich von ±20 Grad von der Senkrechten. [weniger]

Hintergrundinformationen:

SOFIA, das "Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie", ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundes (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie), des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA-Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA).

GREAT, der "German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies", ist ein Empfänger für spektroskopische Ferninfrarot-Beobachtungen in einem Frequenzbereich von 1,25 bis 5 Terahertz (60-240 µm Wellenlänge), der von bodengebundenen Observatorien aus wegen der mangelnden atmosphärischen Transparenz nicht mehr zugänglich ist. Dieser Empfänger kommt als Instrument der ersten Generation am Flugzeug-Observatorium SOFIA zum Einsatz. GREAT wird in einem Konsortium deutscher Forschungsinstitute (MPIfR Bonn und KOSMA/Universität zu Köln, in Zusammenarbeit mit dem MPI für Sonnensystemforschung und dem DLR-Institut für Planetenforschung) entwickelt und betrieben. Projektleiter für GREAT ist Dr. Rolf Güsten (MPIfR). Die Entwicklung des Instruments ist finanziert mit Mitteln der beteiligten Institute, der Max-Planck-Gesellschaft und der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

APEX, das Atacama Pathfinder Experiment, ist ein gemeinsames Projekt des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) mit dem Onsala Space Observatory (OSO) und der Europäischen Südsternwarte (ESO). Es dient dem Bau und Betrieb einer modifizierten Prototyp-Antenne von ALMA (Atacama Large Millimetre Array) als Einzelteleskop auf einem in 5100 Metern Höhe über dem Meeresspiegel gelegenen Standort in der Chajnantor-Ebene (Atacama-Wüste, Chile). Das Teleskop wurde von der VERTEX-Antennentechnik in Duisburg gebaut. Der Betrieb des Teleskops erfolgt durch die ESO.

 

 

 

 

 
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