Sag mir, wie die Sterne leuchten

Das Potsdam Polarimetric and Spectroscopic Instrument (PEPSI) am Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona stellt Forschern einzigartige Atlanten mit hoher spektraler Auflösung zur Verfügung. In einer Reihe von drei Publikationen in der 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 zehn Milliarden Jahre alten Planeten­mutter­sterns Kepler-444.

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 hundertstel des Durchmessers eines Wasserstoff­atoms, und decken mit Wellen­längen von 383 bis 914 Nanometer den gesamten optischen bis nah­infraroten Wellen­längen­bereich ab.

Das Licht der Sonne wurde auch in mehreren spektralen Zeitreihen mit bis zu 300 Einzel­spektren pro Tag analysiert. Die daraus entstandenen Daten­sätze stehen nun ebenso zur Verfügung. „Unsere Sonne oszilliert mit einer Periode von fünf 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 Zentimeter pro Sekunde messen. Aus der Sicht eines Stern­forschers eine geradezu unglaublich kleine Geschwindigkeit", erklärt Klaus Strassmeier, Haupt­verantwortlicher von PEPSI und Direktor des Forschungs­bereichs 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 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. 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 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 Prozent für seine Planeten, wenn sich Stern und Planeten zusammen bildeten. Terrestrische Planeten in unserem Sonnen­system haben typischerweise einen Massen­anteil des Eisenkerns von 30 Prozent. „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.

AIP / DE