Adaptive Optik zeigt massive Sternentstehung

Bildnachweis: UC Berkeley
Astronomen der University of California, Berkeley, haben ein kürzlich am Lick Observatory von UC montiertes Laser-Leitsternsystem genutzt, um scharfe, funkelnde Bilder der schwachen staubigen Scheiben entfernter massereicher Sterne zu erhalten. Die Bilder zeigen deutlich, dass sich zwei- bis dreimal so große Sterne wie die Sonne bilden wie Sterne vom Solartyp – in einer wirbelnden kugelförmigen Wolke, die zu einer Scheibe zusammenfällt, wie die, aus der die Sonne und ihre Planeten hervorgegangen sind.

Der gelbe Laserstrahl, der den Himmel über dem Lick Observatory durchdringt, wurde letztes Jahr auf dem 10-Fuß-Shane-Teleskop in Betrieb genommen und erweiterte die Verwendung des „Gummispiegelsystems“ des Teleskops, das als adaptive Optik bezeichnet wird, auf den gesamten Nachthimmel. Die Zugabe des Lasers macht Lick zum einzigen Observatorium, das einen Laser-Leitstern für den Routineeinsatz bereitstellt.

Das UC Berkeley-Team und seine Kollegen vom Center for Adaptive Optics der UC Santa Cruz und dem Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) berichten über ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 27. Februar der Zeitschrift Science.

„Das Paradigma für Sterne wie unsere Sonne ist der Gravitationskollaps einer Wolke zu einem Protostern und einer pfannkuchenähnlichen Akkretionsscheibe, aber es gibt eine Masse, bei der dies nicht funktionieren kann – die Leuchtkraft des Sterns reicht aus, um die Scheibe zu zerstören, und es fällt so schnell auseinander, wie es zusammenzieht “, sagte James R. Graham, Professor für Astronomie an der UC Berkeley. "Unsere Daten zeigen, dass das Standardmodell-Paradigma immer noch für Sterne funktioniert, die zwei- bis dreimal so massereich sind wie die Sonne."

"Ohne adaptive Optik würden wir nur einen großen, unscharfen Fleck vom Boden aus sehen und könnten keine der Feinstrukturen um die Quellen herum erkennen", fügte Marshall D. Perrin, Doktorand an der UC Berkeley, hinzu. "Unsere Beobachtungen stützen nachdrücklich die aufkommende Ansicht, dass sich Sterne mit niedriger und mittlerer Masse auf ähnliche Weise bilden."

Ein adaptives Optiksystem, das die Unschärfeeffekte atmosphärischer Turbulenzen beseitigt, wurde 1996 zu Licks Shane-Teleskop hinzugefügt. Wie alle anderen Teleskope mit adaptiver Optik heute, einschließlich der beiden 10-Meter-Keck-Teleskope in Hawaii, hat das Lick-Teleskop dies getan sich auf helle Sterne im Sichtfeld zu verlassen, um die Referenz zu liefern, die zum Entfernen der Unschärfe erforderlich ist. Nur etwa ein bis zehn Prozent der Objekte am Himmel befinden sich in der Nähe eines hellen Sterns, damit ein solches „natürliches“ Leitsternsystem funktioniert.

Der von den Ass-Laserwissenschaftlern Deanna M. Pennington und Herbert Friedman von LLNL entwickelte Natriumfarbstofflaser vervollständigt schließlich das adaptive Optiksystem, sodass Astronomen damit jeden Teil des Himmels betrachten können, unabhängig davon, ob sich ein heller Stern in der Nähe befindet oder nicht.

Der an der Bohrung des Lick-Teleskops befestigte Laser strahlt einen schmalen Strahl etwa 60 Meilen durch die turbulente Zone in die obere Atmosphäre, wo das Laserlicht Natriumatome dazu anregt, Licht derselben Farbe zu absorbieren und wieder zu emittieren. Das Natrium stammt von Mikrometeoriten, die beim Eintritt in die Erdatmosphäre entflammen und verdampfen.

Der gelb leuchtende Fleck in der Atmosphäre entspricht einem Stern der 9. Größe – etwa 40-mal schwächer als das menschliche Auge sehen kann. Trotzdem bietet es eine stabile Lichtquelle, die genauso effektiv ist wie ein heller entfernter Stern.

„Wir verwenden dieses Licht, um die Turbulenzen in der Atmosphäre über unserem Teleskop hunderte Male pro Sekunde zu messen, und verwenden diese Informationen dann, um einen speziellen flexiblen Spiegel so zu formen, dass Sie das Licht sowohl vom Laser als auch vom Ziel erhalten Wenn man es betrachtet, prallt es ab, werden die Auswirkungen der Turbulenzen beseitigt “, sagte Claire Max, Professorin für Astronomie und Astrophysik an der UC Santa Cruz, stellvertretende Direktorin des Zentrums für adaptive Optik und Forscherin am LLNL, die für mehr gearbeitet hat als 10 Jahre, um ein Laser-Leitsternsystem zu entwickeln.

In einem der ersten Tests dieses Systems drehten Graham und Perrin das Teleskop auf seltene, junge, massive Sterne namens Herbig Ae / Be-Sterne, die vom Boden verschwommen und normalerweise zu schwach sind, um von einer adaptiven Optik des natürlichen Leitsterns abgebildet zu werden. Herbig Ae / Be-Sterne mit einer Masse zwischen dem 1,5- und 10-fachen der Sonnenmasse und wahrscheinlich weniger als 10 Millionen Jahre alt gelten als die Anfänge massereicher Sterne – Sterne, die wie die heißen Typ-A-Sterne Sirius und enden werden Vega. Herbig Ae / Be-Sterne wurden vor Jahren vom Astronomen George Herbig von der UC Santa Cruz, jetzt an der Universität von Hawaii, katalogisiert.

Die massereichsten der Herbig Ae / Be-Sterne sind von großem Interesse, da sie Supernova-Explosionen ausgesetzt sind, die die Galaxie mit schweren Atomen besiedeln und feste Planeten und sogar Leben ermöglichen. Sie lösen auch Sternentstehung in nahe gelegenen Wolken aus.

Was die Astronomen sahen, war dem bekannten Bild der T-Tauri-Sterne sehr ähnlich. Dies sind die Entstehungsstadien von Sternen, die bis zu 50 Prozent größer als unsere Sonne und bis zu 100 Millionen Jahre alt sind. Die Bilder der beiden Herbig Ae / Be-Sterne zeigen deutlich eine dunkle Linie, die jeden Stern halbiert, verursacht durch eine Scheibe, die den hellen Glanz des Sterns blockiert, und einen leuchtenden kugelförmigen Licht- und Gashalo, der den Stern und die Scheibe umhüllt. In jedem Stern können zwei Gas- und Staubstrahlen aus den Polen der Akkretionsscheibe austreten.

Die beiden Sterne, katalogisiert als LkH (198 und LkH (233 (Lick-Wasserstoff-Alpha-Quellen)), befinden sich 2.000 bzw. 3.400 Lichtjahre entfernt in einer entfernten Region der Milchstraße.

"Material aus der Protostellarwolke kann nicht direkt in den Säuglingsstern fallen, daher landet es zuerst in einer Akkretionsscheibe und bewegt sich erst nach innen, um auf den Stern zu fallen, nachdem es seinen Drehimpuls verloren hat", erklärte Perrin. „Dieser Prozess der Drehimpulsübertragung führt zusammen mit der Entwicklung von Magnetfeldern zum Start der bipolaren Abflüsse. Diese Abflüsse entfernen schließlich die Hülle und hinterlassen einen neugeborenen Stern, der von einer Akkretionsscheibe umgeben ist. In ein paar Millionen Jahren ist der Rest des Materials auf der Scheibe angesammelt, so dass nur der junge Stern zurückbleibt. “

Perrin fügte hinzu, dass das Hubble-Weltraumteleskop „sehr klare, eindeutige Bilder von Scheiben und Abflüssen um T-Tauri-Sterne“ geliefert hat, was Theorien über die Bildung von Sternen wie unserer Sonne bestätigt. Aufgrund der relativen Seltenheit der Herbig Ae / Be-Sterne fehlten bisher jedoch so eindeutige Daten für diese Sterne, sagte er.

Astronomen haben vorgeschlagen, dass sich aus der Kollision von zwei oder mehr Sternen oder in einer turbulenten Wolke im Gegensatz zur wirbelnden Akkretionsscheibe sehr massive Sterne bilden. Interessanterweise stellte sich heraus, dass ein dritter Stern, den Graham und Perrin in derselben Nacht abgebildet hatten, zwei sonnenähnliche Sterne mit einem Band aus Gas und Staub dazwischen waren, die verdächtig aussahen, als würde ein Stern Materie vom anderen einfangen.

Graham hofft, massereichere Herbig Ae / Be-Sterne fotografieren zu können, um zu sehen, ob sich das Standardmodell für die Sternentstehung auf noch größere Sterne erstreckt. Die detaillierten Bilder der Herbig Ae / Be-Sterne verdanken dem neuen Laser-Leitsternsystem ebenso viel wie einem von Perrin gebauten Polarimeter für die Nahinfrarot-Bildgebung, das der bereits am Teleskop montierten Berkeley-Nahinfrarotkamera (IRCAL) hinzugefügt wurde.

"Ohne Polarimeter verdeckt das Licht der Sterne die Strukturen um sie herum weitgehend", sagte Perrin. „Das Polarimeter trennt unpolarisiertes Sternenlicht von polarisiertem Streulicht vom zirkumstellaren Staub, was die Erkennbarkeit dieses Staubes erhöht. Nachdem wir diese Technik bei Lick entwickelt haben, wird es möglich sein, sie auf die 10-Meter-Keck-Teleskope auszudehnen, wenn das dortige Laser-Leitsternsystem in Betrieb genommen wird. “

Das Polarimeter teilt das Licht aus dem Bild unter Verwendung eines neuartigen doppelbrechenden Kristalls aus Lithium, Yttrium und Fluor (LiYF4) in seine beiden Polarisationen auf, eine Verbesserung gegenüber den bisher verwendeten Calcitkristallen.
Viele andere Gruppen entwickeln Laser, die als Leitsterne verwendet werden sollen, aber Max 'Gruppe ist ihren Konkurrenten voraus, seit sie das Konzept Anfang der neunziger Jahre bei Livermore erstmals demonstriert hat. Seitdem haben sie und ihre Kollegen den Laser und die Software perfektioniert, mit der der Spiegel – im Fall von Licks 120-Zoll-Teleskop, einem 3-Zoll-Sekundärspiegel im Hauptteleskop – genau richtig gebogen werden kann, um das Funkeln zu entfernen Sterne.

Der 11- bis 12-Watt-Laser ist ein Natriumfarbstofflaser, der auf die Frequenz abgestimmt ist, die die kalten Natriumatome in der Atmosphäre anregt. Der Farbstofflaser wird von einem grünen Neodym-YAG-Laser gepumpt, einem größeren Bruder der leicht verfügbaren grünen Milliwatt-Laserpointer.

"Der Grund, warum wir jetzt mit dem Laser-Leitsternsystem Wissenschaft betreiben können, ist, dass seine Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit so stark verbessert wird", sagte Graham. "Der Laser öffnet eine adaptive Optik für eine viel größere Community."

"Ich denke, es wird ein Arbeitstierinstrument bei Lick", fügte Max hinzu. „Der Laser selbst und die Hardware des adaptiven Optiksystems sind ziemlich stabil und ziemlich robust. Was jetzt passieren wird, ist, dass die Leute damit Astronomie betreiben, neue Techniken entwickeln, um damit zu beobachten und es an neuen Arten von Objekten auszuprobieren. In der typischen Weise wird ein guter Astronom kommen und Dinge mit Ihrem Instrument tun, die Sie sich nie vorgestellt haben. “

Max und ihre Kollegen haben ein identisches Laser-Leitsternsystem bei den Keck-Teleskopen in Hawaii getestet, aber es ist noch nicht für den Routineeinsatz bereit, sagte sie.
"Der Keck verwendet dieselbe Technologie wie bei Lick", sagte Max. „Ich erwarte, dass diese allgemeine Technologie bei den meisten Teleskopen verwendet wird, jedoch bei verschiedenen Lasertypen. Die Leute erfinden rechts und links neue Lasertypen, daher denke ich, dass das Spiel noch zu klären ist. “

Neben Graham, Perrin, Max und Pennington sind weitere Autoren des Wissenschaftspapiers dem Center for Adaptive Optics der National Science Foundation an der UC Santa Cruz angeschlossen: der stellvertretende Forschungsastronom Paul Kalas von der UC Berkeley, James P. Lloyd von der Das California Institute of Technology, Donald T. Gavel vom Labor für adaptive Optik der UC Santa Cruz und Elinor L. Gates von den UC Observatories / Lick Observatory.

Die Beobachtungen und die Entwicklung des Laser-Leitsterns wurden von der National Science Foundation und dem US-Energieministerium finanziert.

Originalquelle: UC Berkeley Pressemitteilung

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