Am 26. Mai 2020 feierte das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie das zehnjähriges Jubiläum seines „First Light“-Fluges, bei dem das Teleskop das erste Mal infrarotes Licht aus dem Weltall empfangen hat. Bereits 2010 hat SOFIA angefangen neue wissenschaftliche Entdeckungen im Bereich des für das menschliche Auge unsichtbaren Ferninfraroten zu machen, obwohl das Observatorium erst 2014 voll einsatzfähig wurde.
Seit dem Ende des dunklen Zeitalters (als das Universum etwa 200 Millionen Jahre alt war) ist etwa die Hälfte der im Universum ausgestrahlten Energie in Ferninfrarotstrahlung umgewandelt worden. Mit seinen speziell für infrarote Strahlung ausgelegten Instrumenten kann SOFIA viele dieser Prozesse aus verschiedenen Entwicklungsphasen des Kosmos beobachten. So konnten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen in SOFIA-Beobachtungen mit Heliumhydrid die erste Molekülart des Universums im Weltraum nachweisen, neue Einzelheiten im Lebenslauf von Sternen und Planeten enthüllen und zeigen, wie Magnetfelder supermassive Schwarze Löcher entweder mit noch mehr Materie versorgen oder einfach verhungern lassen. „Mit SOFIA-Beobachtungen können wir den sonst unsichtbaren infraroten Teil der Geschichte unseres Kosmos sehen“, so Bernhard Schulz, SOFIA Science Mission Operation Deputy Director vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart. „Und wir sind in der Lage Fragen zu beantworten, wie sich zum Beispiel das Universum von seinem ursprünglichen Zustand nach dem Urknall zu dem Universum entwickelt hat, das wir heute sehen."
Anlässlich des 10-jährigen Jubiläums von SOFIAs „First Light“-Flug stellt das DSI einige der wichtigsten Entdeckungen vor, die SOFIA im vergangenen Jahrzehnt gemacht hat.
Erste Molekülart des Universums endlich gefunden:
Die Chemie des Universums hat etwa 300.000 Jahre nach dem Urknall mit der Entstehung des Heliumhydrid-Moleküls (HeH+) begonnen. Dieser erste Schritt zur Entwicklung aller chemischen Elemente hat schließlich zu dem komplexen Universum geführt, das wir heute kennen. Bevor SOFIA HeH+ erstmals in einem planetarischen Nebel namens NGC 7027 entdeckte, war es nur aus dem Labor bekannt. Sein Nachweis im (nahen) Universum bestätigt wichtige Grundannahmen zu unserer Vorstellung des frühen Universums. Link zur DSI News
Das Heliumhydrid-Molekül war die erste Molekülverbindung, die sich nach dem Urknall im jungen Universum bilden konnte – noch bevor die ersten Sterne entstanden sind. Credits: Komposition: NIESYTO design; Bild NGC 7027: William B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech) und NASA/ESA; Spektrum: Rolf Güsten/MPIfR, Nature, 18. April 2019.
Neugeborener Stern im Orionnebel verhindert die Geburt von Sterngeschwistern:
Durch präzise Messungen der Geschwindigkeiten ionisierter Kohlenstoffatome im Orionnebel konnte SOFIA nachweisen, dass der Wind von einem neugeborenen Stern im Orionnebel die Entstehung weiterer neuer Sterne in seiner Nachbarschaft verhindert. Diese Entdeckung hilft die Prozesse der Sternentstehung genauer zu verstehen. Bislang gingen Forscherinnen und Forscher davon aus, dass andere Prozesse, wie etwa als Supernova explodierende Sterne, weitestgehend die Rate und Effizienz der Sternentstehung bestimmen. Link zur DSI News
Dreidimensionale Ansicht des Orion-Nebels und des starken Sternwinds von Theta1 Orionis C, erstellt aus den [CII] 158 µm Daten. Um besser zu verstehen wie Sterne entstehen, können Forscher diesen Datenwürfel drehen, in ihn hinein zoomen und sogar durch ihn hindurch fliegen. Credit: NASA/SOFIA/Pabst et al.
Feuerwerk bei der Entstehung massiver Sterne:
SOFIA konnte mit seinen Spezialinstrumenten einen massereichen jungen Stern erstmals während einer gewaltigen Eruption im Infraroten beobachten. Dabei ließ sich nachweisen, dass diese sich wiederholenden Ereignisse durch Materie verursacht wird, die den Stern in einer Scheibe aus Gas und Staub umgibt und auf den Stern selbst einstürzt. Dieser Nachweis bestätigt, dass die gleichen Mechanismen, die zur Bildung von kleineren Sternen wie unserer Sonne führen, auch an der Bildung von wesentlich massereicheren Sternen beteiligt sind. Link zur DSI News
Künstlerische Darstellung des Helligkeitsausbruchs des jungen, massereichen Sterns S255IR NIRS 3 (Credits DSI; Niesyto Design).
Staub entgeht Zerstörung durch Supernova 1987A:
Dass eine Supernova-Explosion eine beträchtliche Menge des Materials produzieren kann, aus dem sich Planeten wie die Erde bilden, konnten Astronomen und Astronominnen mit Hilfe von SOFIA-Beobachtungen zeigen. Die Infrarotbeobachtungen einer Wolke, die von der Supernova 1987A vor 10.000 Jahren erzeugt wurde, enthält genug Staub, um daraus 7.000 Erden zu bilden. Die neuen SOFIA-Daten zeigen, dass das von der ersten nach außen gerichteten Schockwelle erzeugte Material die nachfolgende nach innen gerichtete "Rückprallwelle" überleben kann. Diese "Rückprallwelle" entsteht, wenn die erste Front mit dem umgebenden interstellaren Gas und Staub zusammenstößt und reflektiert wird. Die künstlerische Darstellung zeigt den Verlauf der mächtigen Druckwelle, in der das Ausgangsmaterial für neue Sterne und Planeten produziert wird. Link zur USRA News
Künstlerische Darstellung der Druckwelle der Supernova 1987A. Credits: NASA/SOFIA/Symbolische Bilder/Casadonte-Gruppe
SOFIA findet galaktisches Rätsel:
Die aktive Galaxie HE 1353-1917 wurde von SOFIA auf eine bestimmte Emission von ionisiertem Kohlenstoff untersucht, die normalerweise ein verlässliches Maß für die Sternentstehungsrate ist. In HE 1353-1917 stammt diese Emission zum Großteil aus der direkten Nachbarschaft des zentralen Schwarzen Lochs. Allerdings ergäbe sich aus der gemessenen Kohlenstoffstrahlung in diesem Fall eine 10-mal höhere Sternentstehungsrate, als für diese Galaxienart typisch ist. Die Lösung dieses Rätsels könnte darin liegen, dass dieses Schwarze Loch seinen Jet direkt in die galaktische Ebene ausstößt, statt senkrecht dazu wie es "normale" Schwarze Löcher tun. Dort trifft er auf die interstellare Materie und ruft möglicherweise die detektierte Emission hervor, die normalerweise Sternentstehungsgebieten zugeschrieben wird. Link zur DSI News
Künstlerische Darstellung von dem Jet der Galaxie HE 1353-1917, der direkt in die Ebene der Galaxie ausströmt – dargestellt in einem Bild einer Spiralgalaxie, aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop. Credits: ESA/Hubble&NASA and NASA/SOFIA/L. Proudfit
Magnetische Felder könnten aktive Schwarze Löcher speisen:
Magnetfelder in der Cygnus-A-Galaxie schleusen Materie in das zentrale Schwarze Loch der Galaxie. SOFIA entdeckte, dass die unsichtbaren magnetischen Kräfte, Material in der Nähe des Galaxienzentrums einfangen - nahe genug, um von dem hungrigen Schwarzen Loch verschlungen zu werden. SOFIA -Beobachtungen anderer Galaxien zeigen, dass Magnetfelder, je nachdem wie sie ausgerichtet sind, jedoch auch verhindern können, dass Schwarze Löcher Materie verschlingen und dadurch anwachsen. Link zur USRA Bildergalerie
Künstlerische Darstellung von Cygnus A, umgeben von einem Ring aus Staub und Trümmern, aus dessen Zentrum Jets herausgeschleudert werden. Die dünnen Linie zeigen das Magnetfeld, das den Staub in der Nähe des supermassiven Schwarzen Lochs im Kern der Galaxie einfängt. Credits: NASA/SOFIA/Lynette Cook
Magnetfelder zähmen möglicherweise das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße:
SOFIA-Beobachtungen vom Zentrum unserer Milchstraße haben gezeigt, dass Magnetfelder das Gas des sogenannten „zentralen Rings“ vermutlich in eine Umlaufbahn um das Schwarze Loch herum leiten, anstatt direkt hinein. Dies könnte erklären, warum das supermassive Schwarze Loch unserer Galaxie relativ ruhig ist, während diejenigen in anderen Galaxien sehr viel heller sind und ständig große Materiemengen verschlingen. Link zur USRA News
Die Linien zeigen das Magnetfeld im Zentrum unserer Milchstraße. Die y-förmige Struktur ist warmer Staub, der ins Zentrum der Milchstraße stürzt. Credits: NASA / SOFIA; Sternfeld im Hintergrund: NASA/HST
Eine neue Karte des Zentrums der Milchstraße enthüllt die Geburt massereicher Sterne:
SOFIA hat eine äußerst genaue Infrarotkarte der zentralen Region unserer Milchstraße erstellt. Dieses Panorama, das sich über mehr als 600 Lichtjahre erstreckt, zeigt erstmalig auch Details in den hellsten Gas- und Staubschwaden, in denen besonders massereiche Sterne entstehen. Damit öffnet sich für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein weites Feld für künftige Forschungsprojekte über massereiche Sterne, sowie die Verteilung interstellarer Materie um das Zentrum unserer Galaxie und damit verbundene Fragen zur Entstehung und Versorgung ihres zentralen Schwarzen Lochs. Link zur USRA News
Zusammengesetztes Infrarotbild vom Zentrum unserer Milchstraße. Credits: NASA/SOFIA/JPL-Caltech/ESA/Herschel
Ein nahegelegenes Planetensystem ist unserem eigenen ähnlich:
Das Planetensystem um den Stern Epsilon Eridani, ist das nächstgelegene Planetensystem um einen der frühen Sonne ähnlichen Stern. SOFIA untersuchte das infrarote Glühen des warmen Staubs und bestätigte, dass das System eine Architektur aufweist, die unserem Sonnensystem bemerkenswert ähnlich ist. Sein Material ist unter anderem in einem schmalen Gürtel und einem Planeten von Jupitergröße angeordnet. Ihre Positionen entsprechen jeweils der des Asteroidengürtels bzw. des Uranus in unserem Sonnensystem. Link zur DSI News
Künstlerische Darstellung des Epsilon Eridani Systems. Credits: NASA/SOFIA/Lynette Cook
Was passiert, wenn Exoplaneten kollidieren:
Im Doppelsternsystem BD +20 307, das mehr als 300 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, kam es wahrscheinlich zu einer schweren Kollision zwischen Exoplaneten, die überwiegend aus Gestein bestanden. Vor einem Jahrzehnt gaben Beobachtungen dieses Systems die ersten Hinweise auf eine Kollision, als Trümmer gefunden wurden, die viel wärmer waren, als es für die Umgebung von ausgewachsenen, eine Milliarde Jahre alter Sternen typisch ist. Aktuelle Beobachtungen von SOFIA ergaben, dass die Infrarot-Helligkeit dieser Trümmer um weitere 10% zugenommen hat - ein Zeichen dafür, dass jetzt noch mehr warmer Staub existiert und dass eine Kollision vor erst relativ kurzer Zeit stattgefunden haben muss. Durch ein ähnliches Ereignis in unserem eigenen Sonnensystem könnte unser Mond entstanden sein. Link zur USRA News
Künstlerische Darstellung des katastrophalen Zusammenstoßes zweier Exoplaneten im Planetensystem BD +20 307. Credits: NASA/SOFIA/Lynette Cook
Zwei neue Moleküle mit SOFIA entdeckt:
Das deuterierte Hydroxylradikal OD sowie das Mercaptoradikal SH wurde zum ersten Mal von SOFIA im interstellaren Medium entdeckt. OD, eine Version von Hydroxyl (OH), bei der das Wasserstoffatom durch ein schwereres Deuteriumatom ersetzt ist, spielt eine entsprechende Rolle für das Verständnis der Bildung von Wasser im Universum. SH ist wichtig für die Untersuchung der Schwefelchemie im interstellaren Medium. Link zur DSI News
Infrarotbild der Rho-Ophiuchi-Sternentstehungsregion. Die Position des im Optischen komplett unsichtbaren massearmen Protosterns IRAS 16293-2422, in dessen Richtung das OD-Molekül in Absorption entdeckt werden konnte, ist mit einem weißen Kreis am linken Bildrand markiert. Credits: NASA/Spitzer/Caltech-JPL/Harvard University/University of Arizona
SOFIA-Beobachtungen heizen die Debatte über die Entstehung der Ozeane der Erde an:
Wasser ist ein wesentlicher Bestandteil des kohlenstoffbasierten Lebens, wie wir es kennen. Die Quelle des irdischen Wassers ist jedoch immer noch unbekannt. Die Standardtheorie besagt, dass die Temperatur in der terrestrischen Planetenbildungszone zu hoch war, als dass das Wassereis hätte überleben können. Infolgedessen war die Erde trocken und das heutige Wasser muss in einer späteren Phase zusammen mit organischen Stoffen durch externe Quellen wie Kometen oder Asteroiden auf die Erde gekommen sein. Link zur USRA News
Illustration eines Kometen, eines Eiskristalls und den Ozeanen unserer Erde. Credits: NASA/SOFIA/L.Cook/L.Proudfit
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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.