Neue Moleküle und Sternentstehung in der Milchstraße

SOFIA, das Stratosphären-Observatorium für Infrarotastronomie, hat die erste Serie von Wissenschaftsflügen mit dem „German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies“ (GREAT) abgeschlossen. Die Ergebnisse werden nun  in einer speziellen Ausgabe der europäischen Astronomie-Zeitschrift “Astronomy & Astrophysics” (Volume 542, vom 10. Mai) veröffentlicht. Die Vielseitigkeit dieses neuen Forschungsinstruments zeigt sich in Berichten über die Erstentdeckung von zwei neuen Molekülen im Weltraum und Untersuchungen zu unterschiedlichen Phasen der Sternentstehung. Das Deutsche SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert die wissenschaftlichen Beobachtungen und den Betrieb von SOFIA für die deutschen Partner.

  

Abb. 1:  Die Aufnahme zeigt das farbenprächtige Sternentstehungsgebiet um den Stern Rho Ophiuchi in ca. 400 Lichtjahren Entfernung. Die Position des massearmen Protosterns IRAS16293-2422, der im optischen komplett unsichtbar bleibt, ist mit einem roten Kreis markiert; in dieser Richtung konnte das Molekül OD, also deuteriertes Hydroxyl, erstmalig im Weltraum nachgewiesen werden. Das mit dem GREAT-Empfänger an Bord von SOFIA beobachtete Absorptionsspektrum zeigt die Moleküllinie bei einer Frequenz von 1,3915 Terahertz (oder 0,215 mm Wellenlänge).
Das OD-Molekül (rot: Sauerstoff, grau: Deuterium) ist eine Isotopenvariante von Hydroxyl (OH), bei der das Wasserstoffatom durch sein schwereres Isotop Deuterium ersetzt wurde. OD markiert einen wichtigen Zwischenschritt auf dem Weg zur Bildung von  Wasser im Universum und kann als chemische Zeitmarke in den Frühphasen der Sternentstehung dienen.
Der helle gelblich leuchtende Stern unten links ist Antares im Sternbild Skorpion, einer der hellsten Sterne überhaupt am Himmel. Rechts von Antares ist der Kugelsternhaufen M4 sichtbar.
Bildrechte: Spektrum: MPIfR/B. Parise,
Hintergrund-Foto: ESO/S. Guisard (www.eso.org/~sguisard).

 

Die erste Serie wissenschaftlicher Beobachtungsflüge mit dem GREAT an Bord von SOFIA, der weltweit einzigen Flugzeug-Sternwarte im Einsatz, wurde im November 2011 erfolgreich abgeschlossen. Knapp ein halbes Jahr später werden  nun die Ergebnisse in der renommierten europäischen Wissenschaftszeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht. Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern berichtet in insgesamt 22 Einzelbeiträgen über die einzigartigen wissenschaftlichen Ergebnisse sowie über die dem Experiment zugrunde liegenden Technologien von GREAT.

SOFIA, ein Gemeinschaftsprojekt der amerikanischen Raumfahrtorganisation NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), betreibt ein Teleskop von 2,70 m Durchmesser in einer umgebauten Boeing 747SP. SOFIA fliegt in Höhen bis zu fast 14 km und ermöglicht damit den Zugang zu astronomischen Signalen bei ferninfraroten Wellenlängen, die ansonsten vom Wasserdampf in der Erdatmosphäre absorbiert würden. SOFIA öffnet so den Himmel für hochauflösende Spektroskopie im fern-infraroten Spektralbereich mit dem GREAT-Empfänger.

Mit vielen der hier veröffentlichten Projekte wird der Sternentstehungsprozess in seinen allerfrühesten Phasen erforscht, in denen sich die molekulare Wolke zunächst verdichtet und die Materie zu dem embryonalen Stern kondensiert, der aber noch in heftiger Wechselwirkung mit den umgebenden Molekülwolken steht. Dabei zerstört er seine Geburtswolke, heizt das umgebende Material auf und ionisiert es. Die hohe spektrale Auflösung von GREAT ermöglicht es, durch die Untersuchung der Emission des ionisierten Kohlenstoffs in einer Reihe von Sternentstehungsgebieten das Geschwindigkeitsfeld des Gases in der umgebenden Molekülwolke aufzulösen. In den Hüllen von drei Protosternen gelang GREAT der direkte Nachweis des Kollaps der protostellaren Hüllen, was unmittelbar Rückschlüsse auf die dynamischen Prozesse bei der Entstehung eines Sterns erlaubt. 

Zwei neue Moleküle wurden erstmalig im Weltraum nachgewiesen: OD, eine isotopische Variante von Hydroxyl (OH), bei der das Wasserstoffatom durch sein schwereres Isotop Deuterium ersetzt wurde, sowie das Sulfanyl-Radikal SH. Eine technologische Meisterleistung stellen erste spektroskopische Beobachtungen bei einer Frequenz von 2,5 Terahertz (0.120 mm Wellenlänge) dar; damit wird astrochemisches Neuland erkundet. Weiterhin wurde die Hülle eines Sterns in der Spätphase seiner Entwicklung untersucht, die durch den heißen Stern im Inneren aufgeheizt und ionisiert wird, sowie die heftige (Schock-)Wechselwirkung eines Supernova-Überrests mit dem umgebenden interstellaren Medium.  Außerdem wurde die Heizung der zirkumnuklearen Gasscheibe im Zentrum der Milchstraße erforscht, die letztendlich das massereiche Schwarze Loch mit Materie anfüttert, sowie die Sternentstehung im Zentralbereich der nahen Galaxie IC342.

“Die reiche Ernte von wissenschaftlichen Ergebnissen, die  bereits aus der allerersten Beobachtungs¬kampagne mit SOFIA und dem GREAT-Empfänger gewonnen wurden, demonstriert das gewaltige wissenschaftliche Potentials, das in diesem Flugzeug-Observatorium steckt und verspricht für die kommenden Jahre einmalige astronomische Beobachtungen – besonders auf dem Gebiet der Sternentstehung und Astrochemie“, so der stellvertretende Direktor des wissenschaftlichen Betriebszentrums, Hans Zinnecker, vom DSI. Parallel mit Rolf Güsten vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie, dem leitenden Wissenschaftler des GREAT-Projekts, organisierte Zinnecker die Auswahl der wissenschaftlichen Beobachtungen und wählte letztlich einige der aufregendsten Projekte der deutschen Antragsteller aus.

“Die hohe Auflösung des GREAT-Spektrometers ist speziell dafür ausgelegt, die Physik und Chemie des interstellaren Gases und den Lebenszyklus der Sterne zu erforschen, von ihrer frühen embryonalen Phase noch innerhalb der Geburtswolke bis hin zum Tod des entwickelten  Sterns, bei dem die Hülle wieder zurück in den umgebenden Raum geschleudert wird“, sagt Rolf Güsten. „Diese phantastischen Ergebnisse bereits aus den ersten Wissenschaftsflügen sind der Lohn für unsere langjährige Entwicklungsarbeit und unterstreichen das wissenschaftliche Potential der Ferninfrarot-Spektroskopie mit einem Flugzeug-Observatorium.“

Veröffentlichungen auf der Grundlage von ersten Wissenschaftsflügen mit der amerikanischen IR-Kamera FORCAST an Bord von SOFIA wurden kürzlich in der amerikanischen Wissenschaftszeitschrift „ Astrophysical Journal“ (Band 749) veröffentlicht und in einer separaten Pressemeldung vorgestellt.

 

Abb. 2:  a) SOFIA, das Stratosphären-Observatorium für Infrarotastronomie, beim Flug über Südkalifornien mit geöffneter Teleskoptür; das in Deutschland gebaute Teleskop mit 2,70 m Öffnung ist zu sehen. Bei einer Flughöhe bis zu 13700 m arbeitet das Observatorium oberhalb von 99,8% des Wasserdampfs in der Atmosphäre. b) Das Ferninfrarot-Spektrometer GREAT (zentral im Vordergrund und hier im Bild in senkrechter Stellung) ist auf der Gegenseite des Teleskops in der Druckkabine an den Teleskopflansch angeschlossen. Während des Fluges bewegt sich GREAT in einem Winkelbereich von  ±20 Grad von der Senkrechten. Das Teleskop (auf dem Bild ist das Gegengewicht in 45-Grad-Stellung in Blau sichtbar) kann dem astronomischen Objekt in einem Winkelbereich zwischen ca. 25 und 65 Grad von der Senkrechten folgen.
Bildrechte: SOFIA (NASA), GREAT (R. Güsten) 

 

       

GREAT, der "German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies", ist ein Empfänger für spektroskopische Ferninfrarot-Beobachtungen in einem Frequenzbereich von 1,25 bis 5 Terahertz (60-240 µm Wellenlänge), der von bodengebundenen Observatorien aus wegen der mangelnden atmosphärischen Transparenz nicht mehr zugänglich ist. Dieser Empfänger kommt als Instrument der ersten Generation am Flugzeug-Observatorium SOFIA zum Einsatz. GREAT wurde durch ein Konsortium deutscher Forschungsinstitute (MPIfR Bonn und KOSMA/Universität zu Köln, in Zusammenarbeit mit dem MPI für Sonnensystemforschung und dem DLR-Institut für Planetenforschung) entwickelt und gebaut. Projektleiter für GREAT ist Dr. Rolf Güsten (MPIfR). Die Entwicklung des Instruments ist finanziert mit Mitteln der beteiligten Institute, der Max-Planck-Gesellschaft und der Deutschen Forschungsgemeinschaft. 

     

  

Astronomy & Astrophysics (A&A)
MPI für Radioastronomie
DLR
Universität zu Köln

NASA's SOFIA featured in the Astrophysical Journal Special Edition