Pressenotiz 09/2009 - 10. Juli 2009

Herschel beobachtet Geburt und Tod von Sternen

Erstmals Aufnahmen von allen Instrumenten des neuen ESA-Weltraumteleskops

Nach zehn Jahren Entwicklungsarbeit am Herschel-Weltraumteleskop und dem erfolgreichen Start des Satelliten mit einer Ariane-V-Rakete am 14. Mai 2009 haben jetzt erstmals alle drei wissenschaftlichen Instrumente die ersten Bilder und Spektren von Himmelsobjekten geliefert. Herschel ist ein Projekt der ESA, an dem sich Astrophysiker von mehreren Max-Planck-Instituten und der Universität zu Köln sowohl durch Beiträge zu den wissenschaftlichen Instrumenten an Bord des Satelliten als auch im wissenschaftlichen Beobachtungsprogramm beteiligen.

Nachdem Herschel im Juni 2009 nur einen Monat nach dem Start ins All spektakuläre Bilder der berühmten "Whirlpool-Galaxie" M51 lieferte, gibt es jetzt auch Schnappschüsse von HIFI. Das hochauflösende Spektrometer ist auf die Gewinnung detaillierter Informationen aus Spektrallinien spezialisiert - quasi den Fingerabdrücken von Atomen und Molekülen im interstellaren Medium. Als Teil der "First Light"-Beobachtungen beobachtete HIFI ein Entstehungsgebiet massereicher Sterne in der Milchstraße mit dem Namen DR21. "Niemals zuvor ist diese Linie des ionisierten Kohlenstoffs mit so hoher Genauigkeit und Winkelauflösung gemessen worden. Das ist äußerst vielversprechend für das wissenschaftliche Programm, das meine Kollegen und ich entwickelt haben um die Sternentstehungsaktivität in solchen Gebieten besser verstehen zu können", so Volker Ossenkopf, von der Universität zu Köln.

Ähnlich begeistert klingt auch der führende HIFI-Forscher auf deutscher Seite, Jürgen Stutzki, ebenfalls von der Universität zu Köln. "Zusätzlich zu den vertrauten Bildern des Himmels in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen geben uns Spektren sehr detaillierte Auskunft über die physikalischen Bedingungen und die chemische Zusammensetzung des interstellaren Mediums, sowie über dessen interne Dynamik. Spektroskopie ist deshalb unverzichtbar um ein vollständiges Bild zu erhalten", erklärt er die Bedeutung dieser Bilder für die Forschung.

 

Abb. 1 Tief verborgen in der Riesen-Molekülwolke DR21 im Sternbild Schwan richten neu entstandene Sterne massiven Schaden an in ihrer kosmischen Kinderstube. Das Falschfarbenbild im Hintergrund (NASA, Spitzer) zeigt die Gesamtverteilung der interstellaren Materie im Licht von warmem Staub, der durch die eingebetteten jungen Sterne aufgeheizt wird. Das Teilbild zeigt die Spektrallinie von ionisiertem Kohlenstoff, wie sie jetzt mit HIFI beobachtet wurde. Diese Linie leistet einen wichtigen Beitrag zur Kühlung des interstellaren Gases. Sie kann vom Boden aus nicht beobachtet werden, weil bei diesen Frequenzen die Erdatmosphäre undurchsichtig ist. Die breite Linie (in rot) an der Position eines neu entstandenen Sterns zeigt die Anwesenheit eines starken stellaren Windes an, der die umgebende Wolke auseinander reißt. Im Gegensatz dazu zeigt die Kontrollposition (in blau) die viel schmälere Emissionslinie vom ungestörten Teil der Wolke.

(Bild: SRON)

 

HIFI, das Heterodyn-Instrument für das ferne Infrarot, ist ein außerordentlich komplexes Instrument und weder ein Institut, noch ein Land könnten im Alleingang die nötige Expertise zusammenbringen, um ein derartiges Gerät zu bauen. Dementsprechend wurde HIFI von einem großen, internationalen Konsortium gebaut. 25 Institute aus 13 Ländern brachten bei der Entwicklung unter der Leitung des niederländischen "Principal Investigators" Frank Helmich von SRON, Groningen, ihr technologisches Können ein.

Von deutscher Seite kamen die essentiellen Komponenten vom Physikalischen Institut der Universität zu Köln, dem MPI für Radioastronomie in Bonn sowie dem MPI für Sonnensystemforschung in Lindau. "Wir freuen uns schon darauf, die einzigartigen Fähigkeiten von HIFI und Herschel dafür zu nutzen, die Entstehung von Sternen in anderen Galaxien aber auch in unserer eigenen Milchstraße zu untersuchen", sagt Rolf Güsten vom MPI für Radioastronomie in Bonn. Und Paul Hartogh vom MPI für Sonnensystemforschung in Lindau fügt hinzu: "Herschel und besonders HIFI werden uns neue Einblicke gewähren in die chemische Zusammensetzung, die Entwicklung, die Dynamik und Struktur der Atmosphären von anderen Planeten und von Kometen in unserem Sonnensystem; von besonderem Interesse ist dabei der Ursprung von Wasser."

Am 23. Juni kam auch PACS zum vollen Einsatz. Waren doch die Bilder von der "Whirlpool-Galaxie (M51)" nur mit einem seiner beiden Instrumente, der photometrischen Kamera, entstanden. Jetzt hat auch sein zweites Instrument, der Spektrograph, sein erstes Licht im Sternbild Drache gesehen. Dieser Teil von PACS ist in der Lage, Bilder von Himmelsobjekten im Licht einzelner Spektrallinien aufzunehmen, also in engen, genau definierten Wellenlängenbereichen. Beide Teilinstrumente ergänzen einander perfekt: Das Photometer, das Licht in breiten Wellenlängenbereichen misst, ist zur Beobachtung des kalten Staubs im Universum optimiert, während der Spektrograph die physikalischen Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung der gasförmigen Materie untersucht. Das Licht, das dabei von PACS genutzt wird, hat etwa 200-mal längere Wellenlängen als sichtbares Licht. Die erste Spektralaufnahme mit PACS galt dem planetarischen Nebel NGC 6543 (mit dem Spitznamen "Katzenaugennebel") im Sternbild Drache. Er wurde von Wilhelm Herschel im Jahr 1786 entdeckt. Planetarische Nebel bestehen aus dem leuchtendem Gas und Plasma, das von sonnenähnlichen Sternen gegen Ende ihres Lebens abgestoßen wird.

 

Abb. 2 Das hier gezeigte Bild enthält einen "Schnappschuss" der Stickstoffspektren, mit der darunter montierten photometrischen Aufnahme des Staub-Kontinuums. Eine Nah-Infrarotaufnahme des Spitzer Weltraumobservatoriums veranschaulicht dabei, welchen Teil des Kernbereichs die PACS-Aufnahmen abdecken. Der untere Teil des Bildes zeigt einen Vergleich der unterschiedlichen räumlichen Verteilung der beiden Spektrallinien. Diese spektralen Helligkeitsverteilungen wurden aus einem Mosaik von 9 leicht gegeneinander versetzten "Schnappschüssen" rekonstruiert. Die unterschiedliche Verteilung ist am deutlichsten im zusammengesetzten Zwei-Farben-Bild unten rechts zu erkennen (neutraler Sauerstoff in grün, ionisierter Stickstoff in rot). An der Stelle, an der der Stickstoff am stärksten ist, befindet sich ein Loch in der Sauerstoffverteilung.

(Bild: ESA & The PACS Consortium)

 

"Sterbende Sterne geben einen großen Teil ihrer Masse an das interstellare Medium zurück, was zu spektakulären Nebeln führt. Uns interessiert zum Beispiel, wie ursprünglich kugelförmige Sterne Nebel formen können, die eine so komplexe Struktur wie etwa NGC6543 haben", erklärt einer der Forschungsleiter für PACS, Christoffel Waelkens von der Katholischen Universität Leuven in Belgien. Um das zu verstehen, müssen die Astronomen die Prozesse nahe an der Sternoberfläche untersuchen, wo die Materie abgestoßen wird. Mit dem PACS-Spektrographen ist es nun möglich, Dichte, Temperatur, Bewegung und Zusammensetzung des Sternwinds mit hoher räumlicher Auflösung zu messen und zu sehen, wie dadurch die dreidimensionale Struktur des Nebels beeinflusst wird. Die Aufnahme mit PACS konzentrierte sich auf zwei Spektrallinien des neutralen Sauerstoffs ("[O I]", bei 63 Mikrometern) einerseits und des zweifach ionisierten Stickstoffs ("[N III]", bei 57 Mikrometern) andererseits. Zusätzlich wurde im 70-Mikrometer-Filter des PACS-Photometers die ringförmige Verteilung von Staubwolken gemessen.

Das neuartige Instrument PACS verwendet speziell entwickelte, hochempfindliche Detektoren - die empfindlichsten an Bord des Satelliten - und benötigt ausgeklügelte Mechanismen, um die schwachen Signale aus dem All präzise zu vermessen. Oliver Krause vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, verantwortlich unter anderem für die Entwicklung eines dieser Mechanismen und für die Charakterisierung einiger der verwendeten Detektoren, ist daher überglücklich: "Diese Aufnahmen beweisen, dass die komplizierte Technik die hohen Anforderungen voll erfüllt."

Der leitende Wissenschaftler des PACS-Konsortiums, Albrecht Poglitsch vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching, Deutschland, verweist darauf, dass diese "Premieren-Aufnahmen" von PACS zwar von hervorragender Qualität sind, aber noch einer genauen Kalibrierung bedürfen. "Etwa der genauen räumlichen Zuordnung und der Quantifizierung der Linienstärken der einzelnen Spektren", sagt er. Dies ist das Ziel der bevorstehenden Testphase des Herschel-Observatoriums. "Aber bereits jetzt", so Poglitsch, "erfüllen die Spektren alle unsere Erwartungen und zeigen uns, dass unsere großen Hoffnungen gerechtfertigt waren. Der enorme Aufwand, der für die Entwicklung von PACS betrieben werden musste, zahlt sich nun aus, und die wissenschaftlichen Projekte, die wir uns vorgenommen haben, sind nun tatsächlich durchführbar. Wir werden mit PACS noch viel Spaß haben."

Hintergrund

PACS wurde entworfen und entwickelt von einem europäischen Konsortium aus Instituten und Universitätsabteilungen unter der Leitung von Albrecht Poglitsch, dem Principal Investigator am Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE) in Garching, Deutschland. Zum Konsortium gehören: IMEC, KUL, CSL (Belgien); MPE und MPIA (Deutschland); IMEC, KUL,CEA, OAMP (Frankreich); IFSI, OAP/AOT, OAA/CAISMI, LENS, SISSA (Italien);Uni Wien (Österreich); IAC (Spanien); Konkoly (Ungarn); NHSC (USA).

Kontakt

Dr. Paul Hartogh
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung Max-Planck-Straße 2
37191 Katlenburg-Lindau
Tel: 05556 979 342
Email: hartoghmps.mpg.de

Dr. Norbert Krupp
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung Max-Planck-Straße 2
37191 Katlenburg-Lindau
Tel: 05556 979 154
Fax: 05556 979 240
Email: kruppmps.mpg.de