Forschung

Sternexplosionen und Datenflut

03.01.2019 - Jahresrückblick Astrophysik, Astronomie und Kosmologie 2018.

Dem Zugpferd der Suche nach Exoplaneten ging 2018 endgültig die Puste aus: Das Weltraum­teleskop Kepler der NASA hat keinen Treib­stoff mehr und wurde im November offiziell still­gelegt. Natürlich geht die Jagd auf Planeten bei anderen Sternen trotzdem unvermindert weiter – und inzwischen gibt es mit dem Transiting Exoplanet Survey Satellite TESS auch schon eine Nachfolge­mission im All, die allerdings vor allem nach Planeten um Sterne in der näheren Sonnen­umgebung sucht. Parallel dazu intensiviert sich auch die Unter­suchung einzelner Exo­planeten. Exemplarisch dafür ist der Nachweis von Helium in einer erodierenden Exoplaneten-Atmosphäre.

Zwar verstehen Astronomen inzwischen Aufbau und Entwicklung der Sterne recht gut, doch gerade bezüglich der End­stadien der Stern­entwicklung gibt es immer noch offene Fragen und über­raschende Beobachtungen. So zeigen theoretische Analysen, dass Supernovae bis zu einer Sonnen­masse an Staub produzieren – doch das ließ sich bislang nicht anhand von Beobachtungen über­prüfen. Einem Forscher­team aus den USA scheint dies jedoch auf ungewöhnlichem Weg gelungen zu sein, nämlich über die Unter­suchung von Staub­körnchen in Meteoriten. Die Staub­produktion müsse, so der Befund, über mehrere Jahre hinweg andauern.

Unterdessen stieß ein internationales Forscher­team – übrigens in Daten des Kepler-Teleskops – auf eine extrem schnell verlaufende Super­nova: KSN 2015K erreichte ihre maximale Helligkeit bereits inner­halb von nur 2,2 Tagen. Und schon nach 6,8 Tagen war sie wieder auf die Hälfte des Maximal­werts abgefallen. Vermutlich war der Stern vor seiner Explosion in einen dichten Kokon aus Gas eingehüllt. So verlief die eigentliche Stern­explosion innerhalb einer undurch­sichtigen Hülle und blieb un­beobachtbar.

Ein Kokon, allerdings aus heißer, neutronenreicher Materie, spielt möglicher­weise auch eine wichtige Rolle bei der Entstehung zumindest eines Teils der rätsel­haften Gamma­strahlungs­ausbrüche. Nachfolge­beobachtungen des Gravitations­wellen­ereignisses vom 17. August 2017, das auf die Kollision zweier Neutronen­sterne zurückgeht, zeigen einen hoch­relativistischen Jet am Ort des Geschehens. Wie die Astronomen vermuten, befeuert der Jet zunächst einen ausgedehnten Kokon, kann dann jedoch daraus aus­brechen und sich hoch­relativistisch und stark gebündelt ausbreiten.

 

 

Gebündelte Materiestrahlen konnten Astronomen bislang bei allen Arten von schwarzen Löchern und Neutronen­sternen beobachten – außer bei Neutronen­sternen mit starken Magnet­feldern. Deshalb war es eine Überraschung, als Radio­beobachtungen einen Jet bei einem Pulsar mit einem extrem starken Magnetfeld von mehr als 1012 Gauß zeigten. Das widerlegt die lange gehegte Vorstellung, starke Magnet­felder würden die Entstehung von Jets verhindern.

Bei der Frage, wann und wie die ersten Sterne und die ersten Galaxien genau entstanden sind, tappen die Astronomen noch im sprich­wörtlichen Dunkeln. Bislang fehlen Beobachtungen, die einen Einblick in diese entscheidende Phase der kosmischen Entwicklung liefern könnten. Doch das könnte sich mit der nächsten Generation von Instrumenten ändern, wie Beobachtungen mit dem Atacama Large Millimeter/Sub­millimeter Array ALMA zeigen, die sich einen als Gravitations­linse wirkenden Galaxien­haufen zunutze machten: Sie zeigen, das in der Galaxie MACS1149-JD1 bereits 250 Millionen Jahre nach dem Urknall die ersten Sterne entstanden. Wenn diese Galaxie keine Ausnahme­erscheinung ist, wäre die Phase der ersten Stern­entstehung im Kosmos in Reichweite des James Webb Space Telescope und des Extremely Large Telescope.

Ebenfalls mit ALMA gelang es einem Forscher­team, bei zwei jungen Galaxien etwa 800 Millionen Jahre nach dem Urknall bereits deutliche Hinweise auf eine geordnete Rotation nach­zuweisen – Galaxien reifen also schnell. Später entwickeln viele große Scheiben­galaxien die typische Spiral­struktur. Dabei spielen, so die Vermutung, umlaufenden Dichte­wellen eine wichtige Rolle. Eine Über­prüfung dieser Hypothese durch Beobachtungen erwies sich bislang allerdings als schwierig, da die Winkel­geschwindigkeit solcher Dichte­wellen nicht direkt mit beobacht­baren Größen wie etwa den stellaren Geschwindig­keiten korreliert ist. Ein Team aus Groß­britannien wählte deshalb einen anderen Ansatz: Aus dem Abstand zwischen Sternen unter­schiedlichen Alters und der aktuellen Position des Maximums der Dichte­welle sollte sich die Geschwindig­keit der Dichte­welle ableiten lassen. Zumindest für eine besonders detailliert spektro­skopierte Galaxie mit ausgeprägter Spiral­struktur ist diese konsistent mit einer Entstehung durch eine quasi­stationäre Dichte­welle, wie die Astronomen zeigen konnten.

 

 

Genaue spektroskopische Daten waren auch der Schlüssel für eine Unter­suchung der Zusammen­hänge zwischen dem mittleren Stern­alter, der stellaren Dynamik und der Galaxien­form. Zwischen dem mittleren Sternen­alter einer Galaxie und ihrer drei­dimensionalen Form besteht, wie sich zeigte, ein erstaunlich starker Zusammen­hang: Je älter die Sterne, desto runder – also weniger elliptisch – ist ein Stern­system. Dieses Ergebnis bestätigt die Vorhersagen der Computer­simulationen, nach denen Verschmelzungen entscheidend die Entwicklung von Galaxien beeinflussen.

Die Form und die Entwicklung unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, untersuchen Astronomen seit 2014 mit der ESA-Sonde Gaia: Sie führt eine hoch­genaue drei­dimensionale optische Durch­musterung des ganzen Himmels durch. Etwa ein Prozent der Sterne unserer Milch­straße werden dabei astro­metrisch, photo­metrisch und spektro­skopisch mit bisher unerreichter Genauig­keit karto­graphisch erfasst. Im April 2018 wurde der zweite Sternen­katalog der Gaia-Mission veröffentlicht und läutete eine neue Epoche der Astronomie ein: Nun stehen Positions- und Helligkeits­daten für fast 1,7 Milliarden Sterne der Milch­straße zur Verfügung, für über 1,3 Milliarden Sterne auch die Parallaxe, Eigen­bewegung und Farbe.

Gaia ist ein Beispiel für die Datenflut, die durch immer neue Instrumente über die Astronomen herein­bricht. Neben den eigentlichen Beobachtungen gewinnt die Suche in den Archiv­daten der vielen Groß­teleskope immer mehr an Bedeutung. Doch die Daten­menge wächst exponentiell, die Anzahl der die Daten auswertenden Astronomen dagegen nicht. Komplett neue Rechen­konzepte sind deshalb nötig. Um diese zu entwickeln, haben sich Wissen­schaftler aus der Teilchen­physik, der Hadronen- und Kern­physik sowie der Astro­teilchen­physik zu einem fach­übergreifenden Verbund zusammen­geschlossen, in dessen Rahmen sie neue Computing-Systeme entwickeln wollen. Und auch die Forschungs­gruppe „Astro­informatik“ am Heidel­berger Institut für theoretische Studien hilft Astronomen, die rasch wachsende Daten­mengen mit Methoden aus der Informatik besser zu analysieren. Hierzu benutzen die Wissen­schaftler unter anderem Verfahren der künstlichen Intelligenz. Das Ziel: Mit neuen Methoden den Zugang zu den Daten in den Archiven revolutionieren.

Rainer Kayser

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