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PEPSI: Erste Datenveröffentlichung

9. Januar 2018. Das Potsdam Polarimetric and Spectroscopic Instrument (PEPSI) am Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona stellt der wissenschaftlichen Gemeinschaft einzigartige Atlanten mit hoher spektraler Auflösung zur Verfügung. In einer Reihe von drei Publikationen in der europäischen Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics präsentiert das PEPSI-Team einen neuen Spektralatlas der Sonne, insgesamt 48 Atlanten heller Sterne und eine detaillierte Analyse der chemischen Häufigkeiten des 10-Milliarden Jahre alten Planetenmuttersterns Kepler-444.
PEPSI: Erste Datenveröffentlichung

Illustration zum PEPSI-Atlas. Bild: AIP/K. Riebe, Spektren: PEPSI, Hintergrund: J. Rendtel

Spektralatlanten sind die Fingerabdrücke von Sternen und zeigen deren astrophysikalische Eigenschaften wie Temperatur, Druck, Geschwindigkeiten und chemische Zusammensetzung. Die erste Veröffentlichung enthält einen neuen Spektralatlas der Sonne und zeigt zum ersten Mal, dass ein Instrument eines Nachtteleskops Spektren mit der Qualität eines spezialisierten Sonneninstruments erreichen kann. Alle solaren und stellaren Spektren wurden mit einer beispiellosen spektralen Auflösung von λ/Δλ=250,000 aufgenommen, das entspricht dem 1/100stel des Durchmessers eines Wasserstoffatoms (λ ist die Wellenlänge und Δλ der kleinste gerade noch auflösbare Abstand zweier Wellenlängen), und decken den gesamten optischen bis nahinfraroten Wellenlängenbereich ab (von 383 bis 914 nm).

Das Licht der Sonne wurde auch in mehreren spektralen Zeitreihen mit bis zu 300 Einzelspektren pro Tag analysiert. Die daraus entstandenen Datensätze stehen nun der Fachgemeinschaft ebenso zur Verfügung. "Unsere Sonne oszilliert mit einer Periode von 5 Minuten. Mit dem neuen Instrument konnten wir diese Auf- und Abwärtsbewegung der Sonnenoberfläche aus dem nicht-aufgelösten Sonnenscheibchen, wie bei einem weit entfernten Stern, mit einer Amplitude von 47 cm/s messen. Aus der Sicht eines Sternforschers eine geradezu unglaublich kleine Geschwindigkeit", erklärt Prof. Strassmeier, Hauptverantwortlicher von PEPSI und Direktor des Forschungsbereiches Kosmische Magnetfelder am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP). Der neue Atlas wurde auch verwendet, um die Häufigkeit von Lithium in der Sonne mit sehr hoher Präzision neu zu bestimmen. "Lithium ist ein Schlüsselelement für die Nukleosynthese im Universum und gleichzeitig ein Indikator für Mischprozesse in Sternen", erklärt Dr. Matthias Steffen, einer der Projektwissenschaftler. Dreidimensionale dynamische Modellatmosphären und eine vollständige statistische Behandlung der spektralen Eigenschaften des Lithiumatoms kamen zum Einsatz, um die Elementhäufigkeit in der Sonne zu bestimmen.

Die 48 stellaren Atlanten in der zweiten Veröffentlichung zeigen Spektren der nördlichen Gaia-Benchmark-Sterne sowie anderer Morgan-Keenan-Standardsterne mit einer zuvor nicht verfügbaren Auflösung und einem extrem guten Signal-zu-Rausch-Verhältnis (S/N). Die letzte Größe repräsentiert das Photonenrauschen relativ zur Signalstärke eines Sterns und ist ein Maß für die Qualität der Spektren. Bisher lag das Signal-zu-Rausch-Verhältnis für die Arbeit an astrophysikalischen Parametern typischerweise bei mehreren Hundert bei einer spektralen Auflösung von λ/Δλ von höchstens 100,000. "PEPSI und das LBT liefern nun ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis von mehreren tausend bei dreimal höherer spektraler Auflösung", lobt Ilya Ilyin, PEPSIs Projektwissenschaftler. "Mit diesen hervorragenden Werten erreichen wir jetzt die gleiche Spektralqualität, die für Beobachtungen unserer Sonne am Tage typisch ist, auch für Beobachtungen heller Sterne bei Nacht", ergänzt Strassmeier.

Die dritte Publikation bestätigt, dass der Stern "Kepler-444", der fünf subterrestrische Planeten beherbergt, ganze 10,5 Milliarden Jahre alt ist. Damit ist er mehr als doppelt so alt wie unsere Sonne und nur ein wenig jünger als das Universum. Der Stern ist auch arm an Metallen. Das chemische Häufigkeitsmuster aus dem PEPSI-Spektrum erlaubt den Rückschluss auf einen ungewöhnlich kleinen Eisenkern-Massenanteil von 24% für seine Planeten, wenn sich Stern und Planeten zusammen bildeten. Terrestrische Planeten in unserem Sonnensystem haben typischerweise einen Massenanteil des Eisenkerns von 30%. "Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Planeten um metallarme Sterne weniger dicht sind als Gesteinsplaneten vergleichbarer Größe um metallreichere Sterne wie unsere Sonne", erklärt Claude "Trey" Mack, Projektwissenschaftler für die Kepler-444-Beobachtungen.

Die AIP-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Michael Weber, Matthias Steffen, Silva Järvinen, Matthias Mallonn, Claude Mack, Thorsten Carroll, Carsten Denker, Sydney Barnes, Daniel Sablowski, Engin Keles, Ekaterina Dineva, Alessandro Mott und Gohar Harutyunyan beteiligten sich an der ersten Datenveröffentlichung von PEPSI.

 

PEPSI Instrument

Das PEPSI Instrument am LBT. Credit: AIP

PEPSI Spektrum Esp Eri

Der Fingerabdruck eines Sterns. Ein Beispiel für die neuen Atlanten von PEPSI: der nahe Planetenmutterstern Epsilon Eridani. Volle Auflösung als pdf. Credit: AIP

PEPSI colored spectrum

Farbkodiertes Spektrum des solaren Zwillingssterns 18 Scorpii. Credit: AIP und M. Bergemann, MPIA

 

Weitere Informationen zu PEPSI und dem LBT:

https://pepsi.aip.de

http://www.lbto.org/

 

Online Zugang zu den Daten:

siehe “Library” auf https://pepsi.aip.de

 

Originalpublikationen in A&A:

K. G. Strassmeier, I. Ilyin, and M. Steffen, PEPSI deep spectra. I. The Sun-as-a-star, A&A, in press; arXiv:1712.06960

K. G. Strassmeier, I. Ilyin, and M. Weber, PEPSI deep spectra. II. Gaia benchmark stars and other M-K standards, A&A, in press; arXiv:1712.06967

C. E. Mack III, K. G. Strassmeier, I. Ilyin, S. C. Schuler, F. Spada, and S. A. Barnes, PEPSI deep spectra. III. A chemical analysis of the ancient planet-host star Kepler-444, A&A, in press; arXiv:1712.06986

 

Wissenschaftliche Kontakte:

Prof. Dr. Klaus G. Strassmeier, 0331-7499-223, kstrassmeier@aip.de
Dr. Ilya Ilyin, 0331-7499-269, ilyin@aip.de
Christian Veillet (Large Binocular Telescope Observatory), +1 (520) 621-5286, cveillet@lbto.org

 

Pressekontakt:

Dr. Janine Fohlmeister, 0331-7499-803, presse@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.