Gamma-Teleskope messen Durchmesser ferner Sterne

Ein internationales Forscherteam hat spezialisierte Gamma­strahlen-Teleskope dank einer wieder­belebten Technik zu einem großen virtuellen Teleskop zusammen­geschaltet und damit die Durch­messer hunderte Licht­jahre entfernter Sterne gemessen. Die vor knapp fünfzig Jahren entwickelte Methode der stellaren Intensitäts­inter­fero­metrie SII könnte eine viel­ver­sprechende Zweit­nutzung von Gamma­strahlen-Obser­va­torien wie dem künftigen Cherenkov Telescope Array erlauben.

Die Wissenschaftler verwendeten die vier Teleskope des „Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System“ VERITAS in den USA, um die Ausdehnung des fünf­hundert Licht­jahre entfernten blauen Riesen Beta Canis Majoris und des zwei­tausend Licht­jahre entfernten Über­riesen Epsilon Orionis zu bestimmen. „Ein gutes Verständnis der Stern­physik ist wichtig für eine ganze Reihe astro­no­mischer Fach­gebiete, von der Suche nach Exoplaneten bis hin zur Kosmologie“, erläutert Nolan Matthews von der University of Utah, einer der beteiligten Forscher. „Aller­dings werden Sterne wegen ihrer großen Entfernung von der Erde oft als Punkt­licht­quellen gesehen.“ Die Inter­fero­metrie habe sich als sehr erfolg­reiche Technik erwiesen, wenn es darum gehe, eine aus­reichende Winkel­auf­lösung zur Unter­suchung von Sternen zu erreichen. „Wir haben gezeigt, dass optische Intensitäts­inter­fero­metrie-Messungen mit einer Matrix aus vielen Teleskopen möglich sind, die wiederum unserem Verständnis von Stern­systemen helfen werden“, sagt Matthews.

Normalerweise spähen die VERITAS-Teleskope nach den schwachen blauen Blitzen der Tscherenkow-Strahlung, die entsteht, wenn kosmische Gamma­strahlen auf die Erdatmo­sphäre treffen. Diese Beobach­tungen sind jedoch auf dunkle mondlose Stunden beschränkt. Das Team nutzte für seine Studie im Dezember 2019 eine Zeit, als VERITAS seine normalen Beobach­tungen nicht durch­führen konnte. „Dank moderner Elektronik konnten wir die Licht­signale der einzelnen Teleskope per Computer kombinieren. Das resul­tierende Instrument hat die optische Auflösung eines Reflektors von der Größe eines Fußball­felds“, erklärt Forschungs­leiter David Kieda von der University of Utah. „Das ist die erste Anwendung der ursprüng­lichen Hanbury-Brown-Twiss-Methode bei einer Matrix optischer Teleskope.“

Das Team beobachtete beide Sterne mehrere Stunden lang. Die Messungen ergaben Winkel­durch­messer von 0,523 Milli­bogen­sekunden für Beta Canis Majoris und 0,631 Milli­bogen­sekunden für Epsilon Orionis. „Die Messwerte für beide Sterne stimmen gut mit früheren Messungen überein, die in den 1970er Jahren mit derselben Technik mit den Narrabri-Teleskopen durch­ge­führt wurden“, berichtet Tarek Hassan vom DESY, der an der Auswertung der VERITAS-Messungen beteiligt war. Die von 1963 bis 1974 betriebenen Narrabri-Teleskope waren die ersten Instrumente, die Stern­durch­messer mit Hilfe der stellaren Intensitäts­inter­fero­metrie bestimmt haben. Das VERITAS-Team konnte jetzt erhebliche Verbesse­rungen der Empfind­lichkeit der Technik zeigen und auch ihre Skalier­barkeit dank digitaler Elektronik.

Mit der Methode lassen sich auch Dutzende von Teleskopen kombinieren, betonen die Forscher. Das könnte sich als eine interes­sante Option für nicht nutzbare Beobach­tungs­zeit am künftigen Cherenkov Telescope Array erweisen. Es wird das größte Gamma­strahlen-Obser­va­torium der Welt sein. Das CTA wird Gamma­teleskope in drei Größen­klassen umfassen, DESY ist für die mittel­großen Teleskope verant­wortlich. „Das CTA wird bis zu 99 Teleskope mit Kilometer-Basis­linien auf der Südhalb­kugel und 19 Teleskope mit mehreren hundert Metern Basis­linien auf der Nordhalb­kugel besitzen“, erläutert Hassan. „Stellare Intensitätsinterferometrie-Messungen mit dem CTA könnte uns künftig erlauben, Sterne mit beispiel­loser Winkel­auf­lösung zu unter­suchen.“

Die Intensitäts­inter­fero­metrie könnte es den Wissen­schaftlern dabei nicht nur ermög­lichen, die Durch­messer von Sternen zu bestimmen, sondern auch Stern­ober­flächen abzu­bilden und die Eigen­schaften von Systemen wie wechsel­wirkenden Doppel­sternen, schnell rotierenden Sternen oder pulsie­render Cepheiden-Variablen zu messen.

DESY / RK

Weiter Infos

• Originalveröffentlichung
  The VERITAS Collaboration: Stellar Intensity Interferometry with the VERITAS array, Nat. Astron., online 20. Juli 2020; DOI: 10.1038/s41550-020-1143-y
• VERITAS – Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, The VERITAS Collaboration