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Stuttgarter Instrument ermöglicht überraschende Einblicke in den Begleiter der Whirlpool-Galaxie

ApJL Sonderausgabe zu wissenschaftliche Ergebnisse der fliegenden Infrarotsternwarte SOFIA veröffentlicht

3. April 2019; Dörte Mehlert (mehlert@dsi.uni-stuttgart.de)

Junge, heiße Sterne heizen ihre Umgebung und somit auch ihre Geburtsstätte selbst auf. Damit weitere Sterne entstehen können, muss diese überschüssige Wärmeenergie abgeführt werden. Astronomen wissen inzwischen, wie diese Kühlung funktioniert: Die UV Strahlung der jungen, heißen Sterne ionisiert zum Beispiel den vorhandenen neutralen Kohlenstoff - es wird also je ein Elektron der Kohlenstoffatome freigesetzt - und versetzt ihn außerdem durch Stöße in einen angeregten, sogenannten Feinstrukturzustand. Die so zugeführte Energie führen die Atome dann sehr effizient durch Emission über die sogenannte Feinstrukturlinie [CII] bei 158 µm ab. Die Stärke der [CII]158µm-Linie ist also ein direktes Maß für die Energie bzw. die Anzahl junger, heißer Sterne und somit die Sternentstehungsrate in einem Gebiet.

Mit dem Stuttgarter Ferninfrarotspektrometer FIFI-LS (Far Infrared Field- Imaging Line Spectrometer) an Bord der fliegenden Sternwarte SOFIA, hat ein Wissenschaftlerteam um Jorge Pineda vom JPL in Pasadena nun erstmals eine komplette Karte dieser [CII]158µm-Linie von der sogenannten Whirlpoolgalaxie (M51) samt ihres Begleiters M51b angefertigt. M51 selbst ist eine große Spiralgalaxie in rund 30 Millionen Lichtjahren Entfernung im Sternbild Jagdhunde. Sie zeichnet sich durch eine intensive Sternentstehungsrate aus, die vermutlich durch die Gezeitenwechselwirkung mit M51b verursacht wird. Mit den aktuellen FIFI-LS Daten, die etwa ein Gebiet von 10 x 6 Bogenminuten überdecken, können die Astronomen nun die Intensität der [CII]158µm-Linie im Zentrum von M51, in ihren Spiralarmen, den Bereichen dazwischen sowie in der Begleitergalaxie M51b erstmals genau vermessen.

In der Whirlpoolgalaxie selbst decken sich die beobachteten Daten mit den Erwartungen: Andere Indikatoren für die Sternentste-hungsrate wie etwa die totale Infrarotleuchtkraft deuten wie die [CII]158µm-Linienstärke auf eine hohe Sternentstehungsrate im Zentrum von M51 sowie in ihren Spiralarmen hin. Die Begleitergalaxie M51b zeigt allerdings ein starkes Defizit in der [CII]158µm-Intensität und lässt somit auf eine deutlich geringere Sternentstehungsrate schließen, als beispielsweise die Messungen der totalen Infrarotleuchtkraft vermuten lassen.

Aus anderen Untersuchungen ist bekannt, dass die Sterne von M51b im Durchschnitt mindestens 10 Milliarden Jahre alt sind. Die Galaxie hat also ihre Phase der intensivsten Entstehung junger Sterne bereits hinter sich gelassen, ihre aktuelle Sternentstehungsrate ist niedrig und in Übereinstimmung mit der schwachen [CII]158µm-Linie. Auf der anderen Seite besitzt M51b vermutlich einen Aktiven Galaktischen Kern (AGN), der für eine große Menge von Röntgenstrahlung im Zentrum der Galaxie verantwortlich ist. Diese hochenergetische Strahlung kann die Temperatur des vorhandenen Staubes erhöhen und somit zu einer stärkere totalen Infrarotleuchtkraft führen, welche wiederum die Ableitung einer verfälschten, überhöhten Sternentstehungsrate zur Folge hätte.
„Aber auch die gemessene Stärke der [CII]158µm-Linie kann durch andere Einflüsse wie zum Beispiel Schockfronten mit hohen Dichten und Temperaturen verfälscht werden und zu ungenauen Ergebnissen führen“, so Christian Fischer vom Deutschen SOFIA Institut der Universität Stuttgart, der mit zu dem Team um Pineda gehört.

Ultrahelle Infrarotgalaxien etwa weisen auch ein Defizit der [CII]158µm-Linie gegenüber der totalen Infrarothelligkeit aus. Diese sogenannten ULIRGs (UltraLuminous InfraRed Galaxies) leuchten im Infraroten 100 – 1000 Mal stärker als unsere eigene Milchstraße und gelten als die Sternentstehungsgalaxien des lokalen Universums. Ihre extreme Helligkeit wird durch Galaxienkollisionen verursacht, die immer auch mit einer hohen Sternentstehungsrate einhergehen.
Das [CII]158µm-Defizit in ULIRGs ist also real und kann seine Ursache in den Schockfronten der Gasmassen haben, die bei heftigen Galaxienzusammenstößen ebenfalls  immer mit entstehen. „ Das exakt gegenteilige Verhalten der [CII]158µm-Linie in M51b zu den ULIRGs macht unser Ergebnis so spannend“, so Christian Fischer.

„Mit SOFIA ist es gelungen die große Karte in einem Bruchteil der Zeit aufzunehmen, die das Herschel-Weltraumteleskop gebraucht hätte“, erklärt Alfred Krabbe, unter dessen Leitung FIFI-LS am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart fertig gestellt wurde. „Aber Herschel ist inzwischen außer Betrieb und so war es nur mit dem schnellen FIFI-LS Instrument an Bord von SOFIA möglich, die schwache [CII] 158 µm Linie in M51b zu entdecken.“ Weitere SOFIA - Daten, die mit GREAT, dem German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies, aufgenommen wurden, sollen zusätzlich detaillierte Auskunft über die Geschwindigkeitsfelder in der Whirlpoolgalaxie und ihrem Begleiter M51b geben.

Weitere wissenschaftliche Ergebnisse mit Hilfe von FIFI-LS sowie anderen Instrumenten an Bord von SOFIA wurden kürzlich in einer Sonderausgabe des renommierten „Astrophysical Journal Letters" (ApJL) veröffentlicht. Darin werden neue Hinweise auf die Entstehung von Sternen und Galaxien enthüllt und berichtet, wie Astronomen auf der Suche nach Leben auf Jupiters Mond Europa einen Schritt weiter gekommen sind. Die Instrumente an Bord von SOFIA sind jeweils in unterschiedlichen Bereichen des infraroten Lichts empfindlich und geben Astronomen einen Einblick in die Zusammensetzung und Entwicklung unseres Kosmos.

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Kontakt: Dörte Mehlert, Email: mehlert@dsi.uni-stuttgart.de; Tel.:0711 - 685-69632

SOFIA, das Stratosphären Observatorium Für Infrarot Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR; Förderkennzeichen 50OK0901, 50OK1301 und 50OK1701) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln 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). Die Entwicklung der deutschen Instrumente ist finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.