Wie lange dauert die Geburt eines Sterns?

  • 18. November 2014

Astrochemische Altersbestimmung durch Molekül­linien­beob­ach­tungen mit SOFIA und APEX.

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.

Für die Beobachtung der ersten stellaren Evolutionsstufe, der Kontraktion zum sonnenähnlichen protostellaren System IRAS 16293-2422 im 400 Lichtjahre entfernten Sternbild Ophiuchus, diente molekularer Wasserstoff 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. (Bild: M. Markus & O. Asvany; nach NASA, C. Thomas, C. Durán / ESO / APEX DSS2 / D. De Martin / ESO, L. Calçada / B. Saxton, NRAO)

Abb.: Für die Beobachtung der ersten stellaren Evolutionsstufe, der Kontraktion zum sonnenähnlichen protostellaren System IRAS 16293-2422 im 400 Lichtjahre entfernten Sternbild Ophiuchus, diente molekularer Wasserstoff als chemische Uhr. Da Wasserstoff nicht direkt beobachtbar ist, wurden stattdessen H2D+-Ionen 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. (Bild: M. Markus & O. Asvany; nach NASA, C. Thomas, C. Durán / ESO / APEX DSS2 / D. De Martin / ESO, L. Calçada / B. Saxton, NRAO)

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 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. „Statt dessen benötigen wir eine innere Uhr, um das Alter der jeweiligen Stern­entstehungs­region bestimmen zu können.“

Das Wasserstoffmolekül, das mit Abstand häufigste Molekül im Weltraum, könnte als eine Art „chemische“ innere Uhr dienen. Molekularer Wasserstoff tritt in zwei unterschiedlichen Formen auf, ortho- und para-Wasserstoff, die 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 chemischer Austausch-Reaktionen. Deshalb kann das gemessene Häufigkeits­verhältnis als Maß dafür herhalten, 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 lässt sich aber die ionisierte Variante H2D+ beobachten, bei der ein Deuterium-Kern 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-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 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 zirka vierhundert 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.

MPIfR / OD

 

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