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MPIA Pressemitteilung Wissenschaft 2013-03


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Herschel findet die jüngsten Protosterne

Eine Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Amelia Stutz vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg hat das Herschel Space-Teleskop und das Submillimeter-Teleskop APEX genutzt, um die jüngsten bislang bekannten Protosterne zu entdecken und zu charakterisieren: stellare Embryos, die tief in dichte Staub-Kokons eingebettet sind. Die Entdeckung verspricht neue Einblicke in die frühesten Stadien der Sternentwicklung, und damit auch Aufschluss über die Entstehung unseres eigenen Heimatsterns, der Sonne. Die Arbeit erscheint in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal.


Abbildung 1: Drei der PACS Bright Red Sources (PBRS), die mit dem Weltraumteleskop Herschel gefunden wurden. Dabei dürfte es sich um einige der jüngsten bekannten Protosterne überhaupt handeln. Das Feld ganz links zeigt ein vom Weltraumteleskop Spitzer (bei 24 µm) aufgenommenes Bild, in welchem die beiden oberen Objekte vollständig unsichtbar sind, während das untere sich nicht eindeutig als Protostern identifizieren lässt. Die beiden rechten Felder zeigen Bilder vom Weltraumteleskop Herschel (bei 70 µm) und vom Submillimeterteleskop APEX (bei 350 µm), mit denen nachgewiesen werden konnte, dass es sich in der Tat um einige der jüngsten bekannten Protosterne handelt.

Bild: A. M. Stutz (MPIA)
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Sterne werden im Verborgenen geboren: hinter Staubschichten, tief im Inneren der Molekülwolken, aus deren Kollaps sie entstehen. Je jünger ein zukünftiger Stern (»Protostern«) ist, desto schwieriger ist es, ihn zu beobachten. In den letzten Jahren haben sich Astronomengruppen mit Hilfe immer höher entwickelter Infrarot-Technologie einen regelrechten Wettlauf geliefert, Protosterne in immer früheren Entwicklungsstadien zu entdecken. Jetzt hat eine Gruppe von Astronomen das Weltraumteleskop Herschel und das Submillimeter-Teleskop APEX genutzt, um die jüngsten bislang bekannten Protosterne zu entdecken und zu charakterisieren.

Einer der beteiligten Astronomen, Tom Megeath von der University of Toledo, Ohio, erinnert sich: »Die Entdeckung war ein echter Glücksfall. Ich hatte mir Bilder angesehen, die mit den Weltraum-Teleskopen Spitzer und Herschel aufgenommen wurden und einen kürzlich entdeckten interessanten Protostern in Orion zeigten, dessen Leuchtkraft sich mit der Zeit ändert. Auf dem ersten Herschel-Bild, das ich mir ansah, war dieser Protostern deutlich zu sehen – aber direkt daneben fand sich überraschender Weise noch ein weiteres Objekt, das auf den Bildern des Spitzer-Teleskops schlichtweg fehlte.«

Dass das Objekt auf den Spitzer-Bildern nicht zu sehen war, hängt damit zusammen, dass Spitzer bei kürzeren Wellenlängen beobachtet als Herschel. Dass ein Objekt bei längeren Wellenlängen hell leuchtet, bei kürzeren dagegen unsichtbar ist, gibt Physikern Hinweise auf seine Temperatur. Menschen zum Beispiel emittieren durch ihre Körpertemperatur von etwa 37 °C infrarotes, aber kein sichtbares Licht. Die Unsichtbarkeit auf den Spitzer-Bildern legte nahe, dass es sich bei dem Objekt auf dem Herschel-Bild um einen außergewöhnlich kalten Protostern handeln könnte. Das waren aufregende Aussichten, denn bei so geringen Temperaturen müsste es sich um einen Protostern in einem viel früheren Entwicklungsstadium handeln, als es jemals zuvor beobachtet worden war.

Nach dieser ersten vielversprechenden Entdeckung durchkämmte Stutz sorgfältig die Orion-Daten, um zu sehen, ob sich weitere Exemplare solcher Objekte aufspüren ließen. Am Ende kam sie auf insgesamt 55 solcher anscheinend sehr kalten Objekte.

Aber das Universum hat einen zusätzlichen Trick auf Lager. Sehr weit entfernte kosmische Objekte erscheinen »rotverschoben« – aufgrund der kosmischen Expansion werden die Wellenlängen ihres Lichtes gestreckt. Das kann dazu führen, dass eine sehr weit entfernte gewöhnliche Galaxie so ähnlich aussieht wie ein sehr kalter, aber ungleich näherer Protostern. Stutz erklärt: »Wir mussten die Spreu vom Weizen trennen und die echten Protosterne ausfindig machen. Und wir wussten, dass dies nur mit mehr Daten möglich war. Aus diesem Grund griffen wir auf APEX zurück – ein Teleskop, das sogar noch langwelligeres Licht empfängt als Herschel.« Die APEX-Antenne befindet sich in der Atacama-Wüste in Chile und wird von der Europäischen Südsternwarte (ESO) betrieben.

Mit den kombinierten Daten und durch sorgfältigen Vergleich ihrer Beobachtungen mit physikalischen Modellen von Protosternen und ähnlichen Objekten reduzierten Stutz und ihre Kollegen ihre Liste auf 15 zuverlässig identifizierte neue Protosterne. Die rötesten Quellen tauften sie nach dem Herschel-Instrument PACS, mit dem diese Entdeckungen gelungen waren, »PACS Bright Red Sources« (kurz PBRS). Diese Quellen waren aufgrund ihrer geringen Temperatur vom Spitzer-Teleskop nicht als Protosterne zu identifizieren gewesen – einige von ihnen sind auf den Spitzer-Bildern einfach unsichtbar.

Den Analysen von Stutz und ihren Kollegen nach sind dies die jüngsten Protosterne, die bislang beobachtet wurden: staubige Gashüllen mit Massen zwischen 0,2- bis 2-Mal der Sonnenmasse, die von einem tief im Inneren eingebetteten Protostern auf etwa 20 °C über dem absoluten Nullpunkt (20 K) aufgeheizt werden.

Stutz sagt dazu: »In den frühesten Stadien sammelt der Protostern den Großteil seiner Masse an. Aber diese Stadien sind gleichzeitig am schwierigsten zu beobachten. Bislang gab es keinen direkten Weg, das, was das Modell über die frühesten Stadien sagte, mit Beobachtungen zu vergleichen. Diese Lücke schließen wir jetzt – und das ist immer eine gute Sache, wenn man wissen möchte, was wirklich vor sich geht.«

Die Astronomengruppe um Stutz hat bereits die nächsten Schritte eingeleitet. Das sind zum einen Nachfolgebeobachtungen mit Herschel an acht der PBRS, um nach Spuren von Gas-Ausflüssen zu suchen, die für diese frühen Prototypen vorhergesagt wurden. Zum anderen wollen sie mit dem Green-Bank-Radioteleskop Licht bei Wellenlängen empfangen, die für dichtere Ansammlungen von Gasmolekülen charakteristisch sind. Zusätzlich hoffen die Astronomen auf Beobachtungszeit an ALMA, dem Netz aus Submillimeter-Antennen, das sich zur Zeit noch in der Atacama-Wüste im Aufbau befindet: ALMA sollte in der Lage sein, feinere Details der Hüllen darzustellen und genauere Messungen ihrer Dichte zulassen.

Stutz fasst zusammen: »Es ist immer aufregend, neue Arten von Objekten wie unsere PBRS zu finden – insbesondere dann, wenn sie Informationen über etwas so Fundamentales wie die Geburt von Sternen versprechen. Sowohl unsere Entdeckung als auch das Potential für weitergehende Beobachtungen zeigt, dass dies interessante Zeiten für Astronomen sind. Diese Quellen konnten wir nur mit Herschel entdecken. Und nur mit ALMA ist es möglich, sie im Detail zu untersuchen.«

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Kontakt

Amelia Stutz (Erstautorin)
Max-Planck-Institut für Astronomie
Heidelberg
Telefon: (+49|0) 6221 – 528 412
E-Mail: stutz@mpia.de

Axel M. Quetz (Öffentlichkeitsarbeit)
Max-Planck-Institut für Astronomie
Heidelberg
Telefon: (+49|0) 6221 – 528 158
E-Mail: pr@mpia.de

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Hintergrundinformationen

Die hier beschriebene Arbeit erscheint in der Zeitschrift Astrophysical Letters als A. Stutz et al, "A Herschel and APEX census of the reddest sources in Orion: Searching for the youngest protostars".
Original article (ADS Entry)

Die Mitglieder des Forscherteams sind A. M. Stutz (MPIA), J. J. Tobin (National Radio Astronomy Observatory), T. Stanke (ESO), S. T. Megeath und W. J. Fischer (beide: University of Toledo), T. Robitaille und T. Henning (beide: MPIA), B. Ali (NHSC/IPAC/Caltech), J. Di Francesco (National Research Council of Canada, Herzberg, Institute of Astrophysics, University of Victoria), E. Furlan (National Optical Astronomy Observatory, NHSC/IPAC/Caltech), L. Hartmann (University of Michigan), M. Osorio (Instituto de Astrofísica de Andalucía), T. L. Wilson (Naval Research Laboratory), L. Allen (National Optical Astronomy Observatory), O. Krause (MPIA) und P. Manoj (University of Rochester).

Die Herschel-Beobachtungen waren Teil des Herschel Orion Protostar Survey (HOPS), dessen Projektleiter Tom Megeath (University of Toledo) ist.

Herschel ist ein Weltraumobservatorium der ESA, dessen wissenschaftliche Instrumente von wissenschaftlichen Konsortien unter europäischer Leitung entworfen und gebaut wurden, inklusive wichtiger Beiträge der PACS wurde von einem Zusammenschluss mehrerer Institute unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik (Deutschland) entwickelt, darunter: UVIE (Österreich); KU Leuven, CSL, IMEC (Belgien); CEA, LAM (Frankreich); Max-Planck-Institut für Astronomie (Deutschland); INAF-IFSI/OAA/OAP/OAT, LENS, SISSA (Italien); IAC (Spanien). Diese Entwicklung wurde von BMVIT (Österreich), ESA-PRODEX (Belgien), CEA/CNES (Frankreich), DLR (Deutschland), ASI/INAF (Italien), und CICYT/MCYT (Spain) unterstützt.

APEX ist eine Kollaboration zwischen dem Max Planck Institut für Radioastronomie (MPIfR), dem Onsala Space Observatory (OSO) und der ESO. APEX wird an seinem Standort auf dem Chajnantor von der ESO betrieben. APEX ist ein Wegbereiterprojekt für das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), ein Submillimeter-Teleskop der nächsten Generation, das auf demselben Plateau gebaut und betrieben wird.

NASAs Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Californien, leitet die Spitzer Space-Teleskop-Mission für NASAs Science Mission Directorate, Washington. Wissenschaftliche Tätigkeiten werden am Spitzer Science Center am California Institute of Technology in Pasadena durchgeführt. Die Daten werden im Infrared Science Archive abgelegt, welches sich am Infrared Processing and Analysis Center am Caltech befindet. Das JPL wiederum wird vom Caltech für die NASA betrieben.

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Fragen und Antworten

Warum werden diese Objekte bei so vielen verschiedenen Wellenlängen beobachtet?
Die sogenannte thermische Strahlung, die Objekte aufgrund ihrer Temperatur emittieren, wird von einfachen physikalischen Gesetzen bestimmt. Kalte Objekte strahlen überwiegend bei sehr großen Wellenlängen. Vom sichtbaren Licht ausgehend liegen diese in Richtung des roten Endes des Spektrums: Kältere Objekte sind röter.

Für ein kaltes Objekt ist es nicht ungewöhnlich, bei kurzen Wellenlängen unsichtbar und nur bei langen nachweisbar zu sein. Wir kennen das aus dem Alltag, wenn wir nämlich ein heißes Objekt, zum Beispiel eine Glühlampe, mit einem vergleichsweise kalten Objekt, einem menschlichen Körper, vergleichen: Eine Glühlampe, deren Glühdraht auf etwa 3400 °C aufgeheizt wird, erzeugt großen Mengen sichtbaren Lichtes, das auf einem im sonst dunklen Raum aufgenommenen Foto klar zu erkennen ist. Ohne eine zusätzliche Lichtquelle ist ein Mensch dagegen auf einem solchen Foto nicht sichtbar, weil Menschen so gut wie kein sichtbares Licht emittieren. Aber bei einer Körpertemperatur von rund 37 °C wird ein Mensch beträchtliche Mengen an Infrarot-Strahlung aussenden. Auf einem mit einer langwelligen Infrarot-Kamera (thermische Kamera) aufgenommenen Bild ist ein Mensch dementsprechend gut sichbar.

Bei einer Temperatur von nur 20 K, entsprechend 20 °C über dem absoluten Nullpunkt, sind die PBRS so kalt, dass sie nicht mehr genug Strahlung emittieren, um vom Infrarot-Weltraum-Teleskop Spitzer eindeutig nachgewiesen zu werden. Eine ganze Reihe von ihnen sind auf den Spitzer-Aufnahmen komplett unsichtbar. Dagegen sind sie bei längeren Wellenlängen, etwa bei Messungen mit dem Weltraumteleskop Herschel und mit APEX, gut nachweisbar.


Welche Teleskope und Instrumente wurden für die Beobachtung genutzt?
Die anfänglichen Beobachtungen verwendeten das Instrument PACS (»Photodetector Array Camera & Spectrometer«) an Bord des Weltraumteleskops Herschel bei Wellenlängen von 70 und 160 µm. PACS ist eine Kombination aus Kamera und Spektrograf für Wellenlängen zwischen 57 und 210 µm. Das Instrument wurde von einem durch das Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching angeführte Konsortium entwickelt und gebaut, unter entscheidender Mitwirkung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg.

Die PACS-Bilder wurden mit Bildern vom Weltraumteleskop Spitzer der NASA verglichen, die mit der Infrarot-Kamera IRAC bei 4,5 µm und mit dem fern-infraroten Detektor-Netz MIPS bei 24 µm aufgenommen worden waren. Zusätzliche Beobachtungen wurden danach mit APEX gemacht, und zwar mit der Kamera SABOCA bei 350 µm und der Kamera LABOCA bei 870 µm. APEX, das Atacama Pathfinder Experiment Telescope, ist ein Teleskop mit 12 m Durchmesser, das bei Millimeter- und Submillimeter-Wellenlängen arbeitet. Die ESO betreibt APEX an einem der höchsten Observatoriums-Standorte der Erde, auf einer Höhe von 5100 Metern, hoch oben auf dem Chajnantor-Plateau in Chiles Atacama-Region.

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Abbildung 2: Dieses Übersichtsbild den Reflexionsnebel M 78 (alternative Bezeichnung: NGC 2068) im Sternbild Orion, aufgenommen mit dem Weltraumteleskop Spitzer. Blau steht dabei für Infrarotlicht bei 3,6 µm und 4,5 µm, grün für Licht bei 5,8 µm und 8 µm, beobachtet jeweils mit Spitzers Infrarotkamera IRAC. Rot entspricht Infrarotlicht bei 24 µm, detektiert von Spitzers breitbandigen abbildenden Photometer MIPS.

Bild: A. M. Stutz (MPIA)
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Abbildung 3: Kältere Objekte senden Licht bei längeren Wellenlängen aus und können bei kürzeren Wellenlängen unsichtbar sein. Das linke Bild der Serie zeigt die Erstautorin des Fachartikels, Amelia Stutz, im reflektierten Licht einer Glühlampe. Die Temperatur von Dr. Stutz ist nicht hoch genug, um größere Mengen sichtbaren Lichts zu produzieren: fehlt eine äußere Lichtquelle, bleibt Dr. Stutz unsichtbar (mittleres Bild). Bei deutlich längeren Wellenlängen, im Infrarotbereich, sendet der Körper von Dr. Stutz wie alle menschlichen Körper Licht aus, das mit einer Infrarotkamera (thermische Kamera) nachgewiesen werden kann (rechtes Bild). Wie die Objekte, die sie entdeckt hat, bleibt Dr. Stutz damit bei kürzeren Wellenlängen unsichtbar und ist auf Bildern bei längeren Wellenlängen gut zu erkennen.

Bild: M. Pössel (MPIA)
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Abbildung 4: Das Weltraumteleskop HERSCHEL (künstlerische Darstellung)

Bild: ESA
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Bildmaterial

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