SOFIA hilft bei der Altersbestimmung von stellaren Kinderstuben

Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Wissenschaftlern des Sonderforschungsbereich 956 an der Universität zu Köln hat mit Hilfe von SOFIA Flugzeug-Beobachtungen erstmals eine neue Methode der Altersbestimmung von Sternentstehungsregionen angewendet und Erstaunliches herausgefunden: Das im 400 Lichtjahre entfernten Sternbild Ophiuchus untersuchte Sternentstehungsgebiet IRAS 16293-2422, in dem zur Zeit sonnenähnliche Sterne entstehen, ist mindestens 1 Millionen Jahre alt – ein Widerspruch zu gängigen Theorien, die eine viel schnellere Entstehung von Sternen vorhersagen. In der aktuellen Ausgabe von Nature wird dieses Ergebnis, zu dem auch Wissenschaftler von der Universität Helsinki sowie der beiden Max-Planck-Institute für Radioastronomie (Bonn) und für extraterrestrische Physik (Garching) beigetragen haben, nun veröffentlicht.

Unser eigenes Sonnensystem entstand vor einigen Milliarden Jahren, als eine interstellare Molekülwolke sich verdichtete und unseren Protostern bildete – die spätere Sonne. Eine Dauer von mindestens einer Million Jahre konnte nun für diese erste stellare Evolutionsstufe, der Kontraktion zum sonnenähnlichen protostellaren System IRAS 16293-2422 im 400 Lichtjahre entfernten Sternbild Ophiuchhus (Schlangenträger,Hintergrundbild), bestimmt werden. Dies wurde möglich durch die Verwendung von molekularem Wasserstoff, H₂, als chemische Uhr. Da Wasserstoff nicht direkt beobachtbar ist, wurde stattdessen das chemisch eng verwandte H₂D⁺ Ion beobachtet. Die astronomischen Beobachtungen wurden im fern-infraroten und submm- Wellenlängenbereich mit dem Flugzeug-Observatorium SOFIA und dem erdgebunden APEX Teleskop in den chilenischen Anden durchgeführt. (Abbildung: Martina Markus & Oskar Asvany, ©: NASA/Carla Thomas, C. Durán/ESO/APEX (MPIfR/ESO/OSO), ESO/Digitized Sky Survey 2/Davide De Martin, ESO/ L. Calçada, Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF)

Sterne wie unsere Sonne und ihre Planetensysteme entwickeln sich aus kalten, dichten Gas- und Staubwolken, die unter ihrem eigenen Gewicht kollabieren. Dabei verdichtet sich das Material zunächst zu einem embryonalen Stern, einem sogenannten Protostern. Wie diese Entwicklung genau abläuft und auf welcher Zeitskala sich der Kollaps ereignet, ist nicht genau bekannt. Strömt das Gas aufgrund der Schwerkraft im freien Fall in Richtung Zentrum oder wird es durch andere Faktoren verlangsamt? „Da diese Entwicklung wesentlich mehr Zeit braucht als die gesamte Geschichte der Menschheit, können wir sie nicht über den gesamten Ablauf hin verfolgen“, erläutert Sandra Brünken, Erstautorin der Studie. „Stattdessen benötigen wir eine innere Uhr, um das Alter der jeweiligen Sternentstehungsregion bestimmen zu können.“

Das Ferninfrarot-Spektrometer GREAT an Bord von SOFIA. Das Instrument ist auf der Gegenseite des Teleskops in der Druckkabine an den Teleskopflansch angeschlossen. © Rolf Güsten

Und hier kommt SOFIA ins Spiel: Das in dichten kalten Sternentstehungsgebieten angereichert vorkommende Molekül H₂D⁺ strahlt und absorbiert je nach Orientierung der beiden Kernspins der zwei Wasserstoffkerne entweder eine ganz charakteristische Linie im Ferninfraroten bei der Wellenlänge von 219 µm (1,37 THz, Para – Zustand, anti-parallele Spins) oder im Millimeterbereich bei 0,806mm (372 GHz, Ortho – Zustand, parallele Spins) ab. Da die Erdatmosphäre Ferninfrarotstrahlung komplett verschluckt, konnte das Team um Stephan Schlemmer von der Universität zu Köln das Signal bei 219 µm nur mit SOFIA in einer Flughöhe von etwa 14 Kilometern detektieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass neueste Technologien an Bord von SOFIA – im Gegensatz zu Satelliten - kurzfristig zum Einsatz kommen können: bis vor kurzem gab es noch kein Instrument, das den für diese Beobachtungen wichtigen Wellenlängenbereich abgedeckt hätte. Die Millimeterdaten hat die Forschergruppe mit dem APEX-Teleskop (Atacama Pathfinder Experiment) beobachtet, das in 5100 m Höhe in den chilenischen Anden steht. In ihrer Nature – Veröffentlichung erklären die Autoren, warum das Verhältnis von Ortho- (APEX) zu Para- (SOFIA) H₂D⁺ Häufigkeiten in dichten, kalten Dunkelwolken eine genaue Altersdatierung von Geburtsstätten sonnenähnlicher Sterne erlaubt. Und das Ablesen dieser chemischen Uhr ergibt für IRAS 16293-2422 eben ein überraschendes Alter von mindestens einer Million Jahren.