Künstlerische Darstellung eines massereichen jungen Sterns vor (links) und während (rechts) eines Helligkeitsausbruchs.

Erneut Wachstumsschub eines massereichen jungen Sterns bestätigt

1. März 2021 / Dörte Mehlert

Selbst unter COVID-19-Bedingungen liefert SOFIA exzellente Wissenschaft
[Bild: Copyright: ALMA, TLS, B. Stecklum]

Mit dem Stuttgarter Ferninfrarotspektrometer FIFI-LS (Far Infrared Field- Imaging Line Spectrometer) konnte die fliegende Sternwarte SOFIA, betrieben von der amerikanischen Weltraumbehörde NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), zum wiederholten Mal den Wachstumsschub eines massereichen jungen Sterns bestätigen.
Die Entstehung von Sternen in dichten Wolken aus Gas und Staub ist ein andauernder Vorgang in unserer Milchstraße und anderen Galaxien. Untersuchungen von jungen Sternen mit moderater sonnenähnlicher Masse zeigen, dass diese die Materie nicht gleichmäßig ansammeln, sondern schubweise wachsen. Darüber, ob die selteneren Schwergewichte unter den Sternen, deren Masse die der Sonne um mehr als das Achtfache übersteigt, ebenso entstehen, gab es bis vor kurzem keine Kenntnis. Ein Team um Bringfried Stecklum von der Thüringer Landessternwarte Tautenburg (TLS) konnte nun den Wachstumsschub des jungen massiven Sterns G358 mit SOFIA nachweisen, deren Betrieb auf deutsche Seite vom DSI an der Universität Stuttgart koordiniert wird.

Feuerwerk bei der Entstehung massiver Sterne
Heranwachsende Sterne, auch als Protosterne bezeichnet, sind von einer Scheibe aus Gas und Staub umgeben. Aus diesen Scheiben stürzen hin und wieder einige Klumpen auf den Stern, der so an Masse gewinnt. Die dabei freiwerdende Energie führt zu einem Helligkeitsausbruch, der sich vor allem im ferninfraroten Teil des elektromagnetischen Spektrums zeigt. 2016 konnte Astronomen und Astronominnen ein solches Feuerwerk erstmals bei der Entstehung des jungen massereichen Sterns NIRS 3 mit SOFIA beobachten (siehe DSI News vom 14. November 2014).

Künstlerische Darstellung von G358 vor und während des Helligkeitsausbruchs. Künstlerische Darstellung eines massereichen jungen Sterns vor (links) und während (rechts) eines Helligkeitsausbruchs. Copyright: ALMA, TLS, B. Stecklum

Gut geplant ist halb beobachtet
Da diese sogenannten Massive Young Stellar Objects (MYSO) selten sind und ihre Wachstumsphasen nur einen Bruchteil ihres Lebens dauern, brauchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entweder Glück oder eine gute Suchstrategie, um diese seltenen Ereignisse beobachten zu können. Daher hat sich das Team um Bringfried Stecklum an einem Programm beteiligt, das potentielle MYSOs vor ihrem Ausbruch anhand einer charakteristischen Radiostrahlung aufspüren sollte. 2019 sind sie fündig geworden: G358 wurde gerade aktiv und stand kurz vor einem Wachstumsschub.

FIFI-LS bestätigt Helligkeitsausbruch
Allerdings konnten Infrarotbeobachtungen mit bodengebundenen Teleskopen die Quelle nicht nachweisen und auch Messungen mit dem Radioteleskop ALMA waren nicht in der Lage, eine Zunahme der Strahlung bei langen Wellenlängen zu bestätigen. Daher kam - wie schon bei der ersten Entdeckung 2016 – FIFI-LS an Bord von SOFIA zum Einsatz: Die beobachteten Daten haben den mit dem Wachstumsschub des Sterns verbundenen Helligkeitsanstieg ebenso bestätigt, wie das spätere langsame Abklingen. Während des Wachstumsschubs strahlte die Quelle etwa fünfmal mehr Energie ab als im normalen Zustand. „Da diese Helligkeitsausbrüche wachsender junger Sterne vor allem im Ferninfraroten sichtbar sind, war FIFI-LS, das für infrarote Wellenlängen von etwa einem Zehntel Millimeter empfindlich ist, das Instrument unserer Wahl“, so Bringfried Stecklum. „In Erwartung eines nächsten Ereignisses haben wir bereits einen Antrag für weitere Beobachtungen mit SOFIA und FIFI-LS beantragt und bewilligt bekommen“, ergänzte sein Kollege Jochen Eislöffel.

Helligkeitsverlauf von G358 vor während und nach dem Ausbruch. Stärke der Strahlung des jungen massereichen Sterns G358.93−0.03 in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Punkte markieren Messwerte und Linien die modellierte Emission des Objekts. Die Farben repräsentieren Zeitpunkte, wobei blau - vor dem Wachstumsschub (Archivdaten), rot - während (SOFIA Flug 1) und grün - 18 Monate danach (SOFIA Flug 2) bedeuten. Der von FIFI-LS überdeckte Wellenlängenbereich ist markiert. Copyright: Thüringer Landessternwarte Tautenburg

Professionelle Beobachtungen und COVID-19-Bedingungen
Die Ergebnisse der detaillierten Untersuchung sind kürzlich in der Fachzeitschrift Astronomy and Astrophysics erscheinen und basieren auf Daten aus zwei SOFIA Kampagnen mit FIFI-LS. Während die ersten Beobachtungen im Routinebetrieb im Mai 2019 durchgeführt wurden, war bei der zweiten Flugserie im August 2020 vieles anders: Es waren die ersten Flüge für SOFIA nach der mehrmonatigen COVID-19-Zwangspause. Um so schnell wie möglich wieder den (nun COVID-19-sicheren) Betrieb aufnehmen zu können, hatte sich das SOFIA-Team strenge Regeln auferlegt. Die Wissenschaftscrew wurde reduziert, Masken getragen und Abläufe geändert, um das Risiko einer Ansteckung an Board effektiv zu unterbinden. Am Boden wie in der Luft gehörten dabei für alle Beteiligten stets FFP2 Masken sowie Gesichtsschutzschilder zur Standardausstattung. Neue Regeln legten fest, wie an Board kontaktfrei getrunken, gegessen und sonstige Geschäfte erledigt wurden.

Wenig Zeit und echte Teamarbeit
„Zum Essen blieb aber während der Beobachtung von G358 sowieso keine Zeit,“ erinnert sich Christian Fischer vom DSI und Co-Autor der Studie. Um den Helligkeitsanstieg von G358 vollständig zu erfassen musste FIFI-LS Datenpunkte bei mehreren Wellenlängen sammeln. Nach den jeweiligen Aufnahmen hat Christian Fischer die Daten im Schnellverfahren aufbereitet und auf ihre Qualität und Signalstärke hin bewertet. Waren diese zufriedenstellend, konnte die nächste Wellenlänge beobachtet werden. Durch den festen Flugplan von SOFIA war die Zeit dabei knapp – 50 Minuten für die Beobachtungen von G358 in allen benötigten Wellenlängen. „Das ist echte Teamarbeit“, so Christian Fischer. „Ständig werden parallel die Daten analysiert und das weitere Vorgehen abgestimmt. Dabei ist das gesamte SOFIA Team gefordert.“ Am Ende war sogar eine Wellenlänge mehr „im Kasten“, als geplant.

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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.

Kontakt mehlert@dsi.uni-stuttgart.de
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