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Nature-Artikel: Wie Sterne ihr Alter verraten

"Cosmic clock" - artist impression.

Nature-Artikel: Wie Sterne ihr Alter verraten

5. Januar 2015. Eine jetzt im Wissenschaftsmagazin Nature veröffentlichte Studie stellt eine Methode vor, mit der das Alter von Sternen sehr präzise bestimmt werden kann: die „Gyrochronology“...

Durch die Beobachtung und Vermessung von 30 sonnenähnlichen kühlen Sternen in dem 2,5 Milliarden Jahre alten Haufen NGC 6819 konnte das internationale Forscherteam um Søren Meibom vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics diese Methode nun auf einen größeren Altersbereich von Sternen ausweiten und damit die Genauigkeit der Altersbestimmung deutlich verbessern.

„Die Beziehung zwischen Masse, Rotationsgeschwindigkeit und Alter der beobachteten Sterne ist jetzt so gut definiert, dass wir über die ersten beiden Parameter die dritte Größe, das Sternalter, mit nur 10 Prozent Unsicherheit bestimmen können“, erläutert Barnes.

Die Rotationsgeschwindigkeit eines Sterns nimmt im Laufe der Zeit ab. Gleichzeitig hängt sie mit der Masse des Sterns zusammen: schwere Sterne drehen sich in der Regel schneller als kleine, leichte. Während dieses grundlegende Verhalten Astronomen bekannt war, fehlte lange eine Präzisierung der Parameterabhängigkeiten.

Die jetzt veröffentlichte Studie stellt eine enge physikalische Beziehung zwischen Masse, Rotationsgeschwindigkeit und Alter der kühlen Sterne fest, so dass aus Kenntnis zweier Parameter der dritte berechnet werden kann. Die Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeiten erfolgte dabei durch die Beobachtung von Helligkeitsveränderungen verursacht durch Sternflecken auf der Oberfläche der beobachteten Sterne. Ein typischer Stern verändert seine Helligkeit dabei um weniger als 1 Prozent. Möglich wurden diese genaue Beobachtungen durch die Nutzung des Kepler-Teleskops der NASA.

Eine möglichst genaue Bestimmung des Alters von Sternen ist wichtig, um aus Beobachtungen ableiten zu können, wie astronomische Phänomene sich über die Zeit entwickeln. Auch bei der Suche nach Leben außerhalb unseres Sonnensystems kann die Kenntnis von Sternaltern äußerst hilfreich sein. So hat die Entwicklung der Komplexität von Leben auf der Erde sehr lange gedauert. Sterne mit ähnlichem Alter wie die Sonne, die von Planeten umgeben sind, gelten daher als besonders aussichtsreiche Studienobjekte.

 

Bild: An artist's impression of a "cosmic clock" illustrating how astronomers have used stellar rotation to measure the ages of stars in a 2.5-billion-year-old star cluster. Their results, the latest success of gyrochronology, mark the first extension of such observations to stars with ages beyond 1 billion years, and toward the 4.6-billion-year age of the Sun. Being able to tell the ages of stars is the basis for understanding how astronomical phenomena involving stars and their companions unfold over time. (Credit: Michael Bachofner)

 

Wissenschaftliche Kontakte:

Dr. Sydney Barnes, sbarnes@aip.de, +49 157-3076 1230
Dr. Søren Meibom, smeibom@cfa.harvard.edu, +1 617 496-4773

Pressekontakt: Kerstin Mork, presse@aip.de, +49 331-7499 469

Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

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Das Universum durchkämmen

Spektrenvergleich (s.u.).

Das Universum durchkämmen

10. Dezember 2014. Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) und des Zentrums für Innovations-kompetenz innoFSPEC haben einen neuartigen optischen Frequenz-Kamm an einem...

„Das Besondere an dem durch den Frequenz-Kamm generierten Licht ist, dass es aus einzelnen, diskreten Farben besteht, deren Wellenlängenabstand exakt gleich ist", erklärt der verantwortliche innoFSPEC-Wissenschaftler Jose Boggio. Der optische Kamm wird durch die Überlagerung von Laserlicht mit zwei unterschiedlichen Frequenzen erzeugt. Das so entstandene Spektrum ist nicht kontinuierlich wie bei einem Regenbogen, sondern besteht aus einzelnen Farblinien mit festen Abständen und dunklen Lücken dazwischen - daher auch die Bezeichnung Frequenz-Kamm.

Um das Licht von Sternen und Galaxien analysieren zu können, müssen alle Spektrographen vorher mit einer bekannten Lichtquelle kalibriert werden. „Der Laser-Frequenz-Kamm dient uns als optisches Lineal, welches wesentlich stabiler und regelmäßiger ist, als das Licht von herkömmlichen Spektrallampen", erläutert Astrophysiker Andreas Kelz. „Dank dieser Methoden werden wir Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien oder die chemische Zusammensetzung von Sternen noch präziser bestimmen können.“

Der in den Laboren des Zentrums für Innovationskompetenz innoFSPEC in Potsdam erforschte Frequenzkamm wurde jetzt einem ersten Praxistest an dem ebenfalls am AIP entwickelten PMAS-Spektrographen am Calar-Alto-Observatorium in Südspanien unterzogen. Roger Haynes, Leiter der innoFSPEC Forschergruppe, ist nach dem erfolgreichen Ausgang der Tests überzeugt, dass optische Frequenz-Kämme einen neuen Standard in der astronomischen Präzisionsspektroskopie und der Laboranalytik setzen werden.

Bereits im Jahr 2005 erhielt Prof. Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik den Nobelpreis für die Entwicklung eines optischen Frequenzkamms. Das jetzt in Potsdam gebaute Gerät beruht aber auf einem anderen Prinzip und erzeugt seine Kamm-Linien mit einem grösseren Abstand. Damit lässt sich diese Lichtquelle auch für einen typischen astronomischen Nacht-Spektrographen verwenden.

 

Bildbeschreibung: Ausschnitt aus dem Spektrum des optischen Frequenz-Kamms (oberes, blaues Panel) im Vergleich zu dem einer Neon-Spektrallampe (unteres, rotes Panel). Der Frequenz-Kamm enthält mehr und regelmässigere Emissionslinien als die Spektrallampe und eignet sich daher besser als Eichmaßstab (optisches Lineal).

 

Wissenschaftliche Kontakte:
Dr. Andreas Kelz, akelz@aip.de, 0331-7499 640 / Dr. Jose Chavez-Boggio, jboggio@aip.de, 0331-7499 665

Pressekontakt: Kerstin Mork, presse@aip.de, 0331-7499 469

 

Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

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Nachweis des Lambda-Effekts

The horizontal Reynolds stress in theory (blue line) and observation (the insert).

Nachweis des Lambda-Effekts

2. Dezember 2014. Neueste Daten bestätigen die Turbulenztheorie für die Sonne: der Lambda-Effekt existiert. Die Turbulenzen, die auf der Sonne auftreten verhalten sich gegensätzlich zu den Muste...

Die Ursache, warum die Rotationsdauer der Sonne am Äquator um Tage kürzer ist als an den Polen - Astronomen sprechen auch von der differentiellen Rotation -  ist schon lange in der intensiven Turbulenz unter der Sonnenoberfläche vermutet worden. Diese verhält sich allerdings anders als sich irdische Turbulenz verhalten würde. Nach Boussinesq (1897) transportieren alle experimentell bekannten Turbulenzformen ihren Drehimpuls ausgleichend zu dem Ort, an dem die Rotation am langsamsten ist. Bei der Sonne ist es umgekehrt. Wenn sich die Sonnenturbulenz allerdings nicht entsprechend Boussinesq verhält, sollten aber auch andere sonnenähnlichen Sterne differentiell rotieren. Rechnungen zeigen, dass diese Sterne sogar sehr ähnliche Überholzeiten wie die Sonne haben: nach etwa 110 Tagen ist der Äquator den Polen um eine Umdrehung voraus. Genau dieser Effekt ist auch mit unterschiedlichen Weltraumteleskopen beobachtet worden.

Der abweichenden Charakter der Sonnenturbulenz resultiert aus dem Lambda-Effekt, der den Drehimpulstransport dominiert, wenn die Turbulenzzellen riesig und sehr langlebig sind, also mindestens eine Rotationsperiode überdauern. Numerischen Simulationen bestätigen den Lambda-Effekt, bei dem - sogar bei starrer Rotation - der Drehimpuls zum Äquator transportiert wird. Jetzt sind solche Riesenzellen von etwa 100.000 Kilometern Durchmesser mit dem Helioseismic and Magnetic Imager an Bord des noch aktiven Satelliten Solar Dynamics Observatory gefunden worden. Die Auswertung der Daten zeigt, dass die Wirbel den Drehimpuls vom langsamen Pol zum schnellen Äquator transportieren - gegen das Boussinesq-Prinzip. Dies ist der bisher beste Beweis für die Existenz des Lambda-Effektes, der auf der Erde unmessbar klein aber auf der Sonne unübersehbar ist.

 

Publikation:  G. Rüdiger, M. Küker, & I. Tereshin 2014, “The existence of the Lambda effect in the solar convection zone as indicated by SDO/HMI data”, Astronomy & Astrophysics Letters, Volume 572, Dezember 2014.

Wissenschaftlicher Kontakt: Prof. Dr. G. Rüdiger, gruediger@aip.de.

Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

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Der turbulente Doppelstern Epsilon Aurigae

Künstlerische Darstellung des Doppelsterns Epsilon Aurigae. Image credit: NASA/JPL-Caltech.

Der turbulente Doppelstern Epsilon Aurigae

12. November 2014. Basierend auf einer siebenjährigen Beobachtungskampagne haben Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) neue Erkenntnisse über das Doppelsternsystem ...

Bei Epsilon Aurigae handelt es sich um einen hellen Superriesen, dessen Durchmesser 300mal so groß ist wie jener der Sonne und dessen Masse sich auf das 25-fache der Sonne beläuft. Sein mysteriöser Begleitstern versteckt sich in einer Scheibe und ist nicht direkt beobachtbar. Die Potsdamer Astronomen konnten Dank der erfolgten Beobachtungen zeigen, dass der Hauptstern nicht-radial pulsiert, sehr schnell rotiert und Masse an seinen unsichtbaren Begleiter abgibt, dessen Akkretionsscheibe ebenfalls rotiert.

Damit der nachgewiesene Massestrom vom Superriesen in Richtung der Scheibe des unsichtbaren Begleitsterns möglich ist, muss das Doppelsternsystem extrem dynamisch sein. Die Astronomen stellten fest, dass der Riesenstern mit einer Periode von nur 540 Tagen vergleichsweise schnell rotiert. Im Zusammenspiel mit seiner ebenfalls beobachteten, nicht-radialen Pulsation kann dies die Ursache für einen verstärkten Masseaustausch zwischen den beiden Sternen sein.

„Mit meinem Raumschiff möchte ich Epsilon Aurigae nicht zu nahe kommen“ sagt Prof. Klaus Strassmeier, Leiter der Studie und wissenschaftlicher Direktor am AIP. „Wir sehen da ein System, dessen zwei sehr massereiche Sterne in all die turbulenten Szenarien der Sternentwicklung gleichzeitig verwickelt sind.“

Die nähere Bestimmung des Begleitsterns bleibt spannend. Die Daten zeigen nämlich auch, dass die Scheibe des Begleitsterns nicht kreisrund, sondern „birnenförmig“ in die der Bahnbewegung entgegengesetzte Richtung ausgedehnt ist. Somit kann keine direkte Massenbestimmung des Sterns, wie sie in kreisrunden Scheiben aus den Keplerschen Gesetzen ableitbar ist,  erfolgen.

Epsilon Aurigae, in etwa 3.000 Lichtjahren Entfernung am nördlichen Himmel, steht schon lange im Blick der Potsdamer Astronomen. Bereits 1903 führten Hans Ludendorff und Hermann Vogel von Potsdam aus erste photometrische und spektroskopische Beobachtungen des Sterns durch und entdeckten, dass es sich um einen bedeckungsveränderlichen Doppelstern mit 27jähriger Periode handelt - bis heute die längste Bedeckungsperiode, die je gemessen wurde.

Die großen am STELLA-Teleskop gewonnen Datenmengen werden der astronomischen Community zur weitere Analyse zur Verfügung gestellt.

Die Studie "Time-series high-resolution spectroscopy and photometry of ε Aurigae from 2006–2013: Another brick in the wall" ist in der November Ausgabe der Astronomischen Nachrichten, Vol. 335, Issue 9, erschienen.



Wissenschaftlicher Kontakt: Prof. Dr. Klaus G. Strassmeier, kstrassmeier@aip.de

Pressekontakt: Kerstin Mork, presse@aip.de, 0331-7499 469

 

Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

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Partielle Sonnenfinsternis beobachtet mit SDI

Bilder der partiellen Sonnenfinsternis am 23. Oktober 2014.

Partielle Sonnenfinsternis beobachtet mit SDI

24. Oktober 2014. Auf den Bildern der partiellen Sonnenfinsternis am 23. Oktober 2014 ist ein großer Sonnenfleck, der bereits zwei Tage zuvor erschienen war, zu sehen. Die Sonnenfinsternis dauerte...

Eine weitere Aufnahme (s.u.) zeigt ein vor der Sonnenscheibe vorbeifliegendes Flugzeug. Das SDI-Teleskop nutzt die Sonne als Leitstern vor der Einspeisung des Lichts in den PEPSI Spektrographen. Außerdem ist das Teleskop außerhalb des LBTs mit einer Videokamera ausgestattet, die Aufnahmen wie die hier gezeigten ermöglicht. SDI steht für "Solar disk integrated light" und ergänzt den PEPSI Spektrographen.

PEPSI ist ein hochauflösender Spektrograph für die Astronomie, der erst kürzlich vom AIP in Babelsberg an das Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona verschifft wurde. Er hat nun seine Arbeit auf dem Mount Graham aufgenommen und wird Spektren in nicht gekannter Qualität aufzeichnen.

 

 


Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

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