Shubham Mamgain

Sterne sind die „Produktionsstätten“ aller verschiedenen Elemente: Sie nehmen freien Wasserstoff und andere Gase aus ihrer Umgebung auf und wandeln diese in schwerere Elemente wie Helium, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Silizium, Eisen, Silber, Gold, Uran usw. um. Jedes Element des Periodensystems bis hin zu Nickel entsteht durch eine Reihe von Kernfusionsreaktionen, die im Kern oder in den den Kern umgebenden Schichten im Inneren der Sterne ablaufen. Bei seinem Tod verschmilzt er alle übrigen Elemente, die schwerer als Nickel sind, durch langsame und schnelle Kernprozesse und stößt sie in alle Richtungen aus.

Interessanterweise lassen sich all diese Elemente auf der Erde nachweisen, was darauf hindeutet, dass die Sonne ein Stern der neuen Generation ist, da sie kein Gold, Silber, Uran usw. erzeugen kann. Noch erstaunlicher ist die Tatsache, dass das, was uns fern erscheint – Sterne, Nebel, Galaxien oder der leere Raum –, sich in seiner Zusammensetzung nicht wesentlich von dem unterscheidet, woraus wir bestehen. Diese Erkenntnis verbindet die Entwicklung des Universums mit meiner persönlichen Reise, und die Prinzipien der Physik erzählen mir die Geschichte unserer Evolution.

Meine Forschungsinteressen

• Wann ist das Universum entstanden? Wir wissen es nicht genau, aber ausgehend von Messungen der Hubble-Konstante scheint es vor etwa 14 Milliarden Jahren entstanden zu sein.
• Wie ist es entstanden? Wir wissen es nicht mit Sicherheit, aber es scheint, dass das Universum einst viel kleiner und dichter war, da Beobachtungen zeigen, dass es sich rasch ausdehnt und abkühlt.
• Wie groß ist das Universum? Das wissen wir nicht. Da sich Licht mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreitet, können wir nicht über den Hubble-Radius hinaus beobachten.
• Woraus besteht das Universum? Wir wissen es nicht. Nur etwa 5 % des Energiegehalts des Universums bestehen aus gewöhnlicher Materie, die wir direkt nachweisen können. Der Rest besteht vermutlich aus dunkler Materie und dunkler Energie, über die beide noch wenig bekannt ist.
• Sind wir allein im Universum? Das wissen wir noch nicht. Die Möglichkeit von Leben auf Exoplaneten ist jedoch nach der Entdeckung von Dutzenden potenziell bewohnbarer Planeten in der Milchstraße zunehmend plausibel geworden.
• Wie würde unsere Botschaft an technologisch fortgeschrittene Zivilisationen lauten? Vielleicht würden wir fragen, wie das Universum aus ihrer Perspektive erscheint und welchen Wert der Hubble-Konstante sie beobachten.
• Wie würden wir kommunizieren? Vielleicht könnten die Andromeda-Cepheiden als galaktisches Alphabet dienen, wobei die Steigung des Leavitt-Gesetzes als universeller Bezugspunkt für die Definition eines gemeinsamen Bezugssystems fungieren würde.
• Was können wir tun, bis ein Signal von einer technologisch fortgeschrittenen Zivilisation eintrifft? Lasst uns die Ohren offen halten und unser Verständnis des Universums und unserer selbst vertiefen.

Meine Forschungsarbeit: Verbesserte Rotverschiebungen, Entfernungen und Leuchtkräfte für eine neue Stichprobe galaktischer Cepheiden

Meine Forschung zielt darauf ab, das Leavitt-Gesetz (1908) zu kalibrieren – eine lineare Korrelation zwischen der Pulsationsperiode radial oszillierender Sterne und ihrer Helligkeit. Cepheiden-Veränderliche gehören zu den hellsten Sternen innerhalb der Galaxien und können daher tief im Weltraum (bis zu 200 Millionen Lichtjahre entfernt) entdeckt werden, was es der beobachtenden Kosmologie ermöglicht, physikalische Parameter wie die Expansionsrate und das Alter des Universums zu bestimmen.

Das Leavitt-Gesetz ist für Cepheiden-Veränderliche Sterne charakteristisch und eröffnet die Möglichkeit, Entfernungen zu ihren Wirtsgalaxien zu messen, wodurch Astronomen letztlich die räumliche Verteilung der Galaxien im lokalen Universum nachverfolgen können. Fehler in der räumlichen Karte stehen aufgrund der Streuung der beobachteten Daten in direktem Zusammenhang mit den anhand des Leavitt-Gesetzes geschätzten Entfernungen der Galaxien. Ich habe die Helligkeitsschwankungen von 150 galaktischen Cepheiden in drei optischen und drei infraroten Lichtbändern untersucht, um den systematischen Fehler zu verstehen, der durch interstellares Gas in der Sichtlinie verursacht wird. Um die Systematik einzugrenzen, habe ich eine Stichprobe von Cepheiden verwendet, deren Entfernungen mit dem Gaia-Satelliten der ESA (2023) gemessen wurden. Um robuste Ergebnisse zu erzielen, habe ich außerdem den von dem Astronomen Barry Madore (2017) entwickelten Kalibrierungsalgorithmus überarbeitet und eine automatisierte Python-Datenpipeline entwickelt, die die Fehlerkorrektur für die Entfernung und die interstellare Extinktion einzelner galaktischer Cepheiden schätzt, dann den ursprünglichen Datensatz um die entsprechenden Korrekturen anpasst und schließlich das kalibrierte Leavitt-Gesetz mit einer Streuung von nahezu Null im Infrarotlicht (K-Band) liefert.

Geschichte im Zusammenhang mit Cepheiden-Veränderlichen

In der Astronomie dient das Leavitt-Gesetz als primäres Standardwerkzeug zur Messung der Entfernungen zu fernen Galaxien. Die Spiralstruktur der Milchstraße (1918), die Erkenntnis, dass die Milchstraße eine isolierte Galaxie ist (1924), die Expansion des Universums (1929), die Rotation der Milchstraße (1934), die Schätzung des Alters des Universums (1958), die beschleunigte Expansion des Universums (1995), Kalibrierung der auf SNIa basierenden kosmischen Entfernungsleiter (1998) usw. sind einige wichtige Ergebnisse, die aus dem Leavitt-Gesetz abgeleitet wurden. Eine große Streuung in der Perioden-Leuchtkraft-Beziehung begrenzt die Genauigkeit der Entfernungsmessungen auf wenige MPc (Mega-Parsec – Längeneinheit) tief im beobachtbaren Universum. Dieses Python-Paket reduziert die Streuung der Leavitt-Gesetze, indem es den systematischen Fehler bei der Rötung und Entfernungsmessung einzelner Cepheiden bestimmt und so letztlich die Reichweite der kosmischen Entfernungsleiter erweitert.

Der Python-Code für den Kalibrierungsalgorithmus wird im GitHub-Repository gehostet.

Leavitt Law calibration repository: https://github.com/mshubham00/Leavitt_Law_Calibration

Forschungsantrag

Untersuchung der 3D-Struktur der Kleinen Magellanschen Wolke mittels Multiband-Photometrie von Cepheiden