Flugzeugsternwarte SOFIA: OD und SH - zwei neue Moleküle im All

Zwei neue Moleküle entdeckt und verschiedene Stadien der Sternengeburt detailliert untersucht – das ist die Bilanz des Observatoriums Sofia nach der ersten Serie von Wissenschaftsflügen mit dem Instrument Great. Die Ergebnisse werden nun in einer Ausgabe der europäischen Fachzeitschrift "Astronomy & Astrophysics" veröffentlicht. Entwickelt hat Great ein Konsortium deutscher Forschungseinrichtungen unter Leitung von Rolf Güsten vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Farbenprächtige Geburt — © MPIfR/B. Parise/ESO/S. Guisard (Ausschnitt)

Viele der in einer Spezialausgabe von "Astronomy & Astrophysics" präsentierten 22 Veröffentlichungen internationaler Wissenschaftler befassen sich mit dem Sternentstehungsprozess in seinen allerfrühesten Phasen, in denen der embryonale Stern (Protostern) noch in heftiger Wechselwirkung mit den umgebenden Molekülwolken steht. Dabei zerstört er seine Geburtswolke, heizt das umgebende Material auf und ionisiert es.

Die Flugzeugsternwarte SOFIA beim Testflug | Einen Durchmesser von 2,5 Metern besitzt der Hauptspiegel der Flugzeugsternwarte SOFIA, die in einer umgebauten Boeing 747SP untergebracht ist.

Die hohe spektrale Auflösung von Great (German Receiver for Astronomy at Terahertz) ermöglicht es, durch die Untersuchung der Emission des ionisierten Kohlenstoffs in einer Reihe von Sternentstehungsgebieten, das Geschwindigkeitsfeld des Gases in der umgebenden Molekülwolke aufzulösen. So gelang dem Instrument an drei Babysternen der direkte Nachweis des Kollapses der protostellaren Hüllen, was unmittelbar Rückschlüsse auf die dynamischen Prozesse bei der Sternengeburt erlaubt.

Weiterhin untersuchten die Forscher mit Great die Hülle eines Sterns in der Spätphase seiner Entwicklung, die durch den heißen Stern im Innern aufgeheizt und ionisiert wird, sowie die heftige Wechselwirkung eines Supernova-Überrests mit dem umgebenden interstellaren Medium. Außerdem nahm Great die Gasscheibe im Zentrum der Milchstraße unter die Lupe, die das massereiche schwarze Loch mit Materie füttert. Und schließlich blickte das Instrument auch in andere Milchstraßen und beobachtete die Sternentstehung im Zentralbereich der nahen Galaxie IC342.

Farbenprächtige Geburt | Die Aufnahme zeigt das Sternentstehungsgebiet um den Stern Rho Ophiuchi in etwa 400 Lichtjahren Entfernung. Die Position des massearmen Protosterns IRAS16293-2422 ist mit einem roten Kreis markiert; in dieser Richtung konnte das Molekül OD, also deuteriertes Hydroxyl, erstmals im Weltraum nachgewiesen werden. Das mit dem Great-Empfänger an Bord von Sofia beobachtete Spektrum zeigt die Moleküllinie bei einer Frequenz von 1,3915 Terahertz (oder 0,215 Millimeter Wellenlänge). OD ist eine Isotopenvariation von Hydroxyl (OH), bei der das Wasserstoffatom durch sein schwereres Isotop Deuterium ersetzt wurde. OD markiert einen wichtigen Zwischenschritt auf dem Weg zur Bildung von Wasser im Universum und dient als chemische Zeitmarke in den Frühphasen der Sternentstehung. Der helle, gelblich leuchtende Stern unten links ist Antares in der Konstellation Skorpion. Rechts von Antares der Kugelsternhaufen Messier 4.

Als wichtige Entdeckung gilt auch der erste Nachweis von zwei neuen Molekülen im Weltraum: OD, eine isotopische Variante von Hydroxyl (OH), bei der das Wasserstoffatom durch sein schwereres Isotop Deuterium ersetzt wurde, sowie das Sulfanyl-Radikal SH. Eine technische Meisterleistung stellen erste spektroskopische Beobachtungen bei einer Frequenz von 2, Terahertz (entsprechend einer Wellenlänge von 0,120 Millimeter) dar; damit wird neues astrophysikalisches Territorium erkundet.

"Die hohe Auflösung unseres Spektrometers ist speziell dafür ausgelegt, die Physik und Chemie des interstellaren Gases und den Lebenszyklus der Sterne zu erforschen, von ihrer frühen embryonalen Phase noch innerhalb der Geburtswolke bis zum Tod des entwickelten Sterns, bei dem die Hülle wieder zurück in den umgebenden Raum geschleudert wird", sagt Great-Projektleiter Rolf Güsten vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. "Diese phantastischen Ergebnisse sind der Lohn für unsere langjährige Entwicklungsarbeit."

GREAT-Empfänger auf dem Transportwagen | Der von vorne gesehene GREAT-Empfänger befindet sich noch auf seinem Transportwagen. Die beiden zylindrischen Kryostaten enthalten sehr empfindliche Bolometer-Detektoren ("Hot Electron-Bolometer", HEB) zum Empfang von Terahertz-Strahlung. Die Detektoren werden bei einer Temperatur von nur vier Grad über dem absoluten Nullpunkt (4 Kelvin) betrieben. Die Platte an der Frontseite wird später am Teleskop von SOFIA angeflanscht.

"Die reiche Ernte von wissenschaftlichen Resultaten bereits aus der allerersten Beobachtungskampagne mit Sofia und unserem Great-Empfänger gibt einen guten Eindruck des gewaltigen wissenschaftlichen Potenzials, das in diesem Flugzeug-Observatorium steckt", ergänzt der stellvertretender Projektleiter Jürgen Stutzki von der Universität Köln.

Im Gegensatz zum Betrieb von Satelliten erlaubt Sofia, den rasanten Fortschritt insbesondere im Bereich der Terahertz-Beobachtungen unmittelbar zu nutzen. Instrumente wie Great können – fortlaufend an den neuesten technischen Stand angepasst – stets im Grenzbereich des technisch Möglichen fliegen und versprechen so aufregende astronomische Entdeckungen für die kommenden Jahre.

Die erste Serie wissenschaftlicher Flüge wurde im November 2011 erfolgreich abgeschlossen. Die nächste Flugserie ist für den Spätherbst dieses Jahres geplant, dann ist Sofia bereits mit Detektoren ausgestattet, die bei bis zu 4,7 Terahertz (0,063 Millimeter Wellenlänge) arbeiten.

MPIfR / MPG / Red.