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Sonnenschutz für den Großen Hund

27.03.2013
Einem internationalen Team von Astronomen unter der Leitung von Forschern am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und an der Universität zu Köln ist es gelungen, zwei Titanoxid-Moleküle, TiO and TiO2, in der ausgedehnten Atmosphäre um einen gewaltigen Stern zu identifizieren. Der Stern VY Canis Majoris ist einer der größten Sterne überhaupt und steht am Ende seines Lebenszyklus. Die Entdeckung gelang mit Radioteleskop-Netzwerken in den USA und in Frankreich.
Die Entdeckung der beiden neuen Moleküle gelang im Zuge der Untersuchung eines spektakulären Sterns. VY Canis Majoris oder kurz: `VY CMa´ ist ein veränderlicher Stern im Sternbild Canis Major (Großer Hund). "VY CMa ist kein gewöhnlicher Stern. Es ist einer der größten Sterne, die wir kennen, und er steht nahe am Ende seines Lebens", sagt Tomasz Kamiñski vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR). Dieser Stern, mit dem 1000 bis 2000fachen Durchmesser der Sonne, würde fast die Umlaufbahn des Saturn erreichen, könnte man ihn in unserem Sonnensystem platzieren.

Der Stern bläst große Mengen von Material von seiner Oberfläche ab, das einen unregelmäßigen Staubnebel um den Stern bildet. Abbildung 1 zeigt den Reflexionsnebel um VY CMa, der dadurch sichtbar wird, dass darin enthaltene kleine Staubpartikel das Licht des Zentralsterns reflektieren. Die komplexe Struktur eines solchen Nebels hat die Astronomen schon für Jahrzehnte vor ein Rätsel gestellt. Er hat sich als Resultat eines Sternwinds gebildet, aber es ist längst nicht verstanden, worauf die sehr unregelmäßige Struktur zurückgeführt werden kann. Und es ist ebenfalls noch nicht bekannt, welcher physikalische Prozess den Wind antreibt, das heißt wodurch sich das Material von der Sternoberfläche wegbewegt und im umgebenden Raum ausdehnt. "Das Schicksal von VY CMa wird sein, als Supernova zu explodieren, aber wir wissen nicht genau, wann das tatsächlich stattfinden wird", sagt Karl Menten, der Leiter der Forschungsabteilung "Millimeter- und Submillimeter-Astronomie" am MPIfR.

Die Beobachtungen bei verschiedenen Wellenlängen resultieren in einer Vielzahl von Einzelinformationen, charakteristisch für atomares und molekulares Gas. Daraus können die physikalischen Eigenschaften eines kosmischen Objekts abgeleitet werden. Jedes Molekül sendet in einer ganzen Anzahl von charakteristischen Linien Strahlung aus. Sie stellen eine Art Strichcode dar, mit dessen Hilfe sich die Moleküle im Nebel identifizieren lassen. "Die Strahlung in kurzen Radiowellenlängen, den sogenannten Submillimeter-Wellen, ist für die Untersuchung von Molekülen und deren Eigenschaften hervorragend geeignet", sagt Sandra Brünken von der Universität zu Köln. "Die Identifizierung der Moleküle ist leichter möglich und normalerweise kann man auch eine größere Anzahl von Molekülen beobachten als in anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums."

Das Forschungsteam hat zum ersten Mal TiO and TiO2 in Radiowellenlängen beobachtet. Darüber hinaus ist es das erste Mal überhaupt, dass Titandioxid im Kosmos identifiziert werden konnte. Man kennt dieses Molekül aus dem alltäglichen Leben als Hauptbestandteil des unter Malern als "Titanweiß" bekannten weißen Pigments und ebenso als Zutat von Sonnenschutzmitteln. Es ist sehr wahrscheinlich, dass Titandioxid schon mal als Bestandteil der Nahrung aufgenommen wurde, da es zur Färbung von Lebensmitteln benutzt wird (aufgeführt unter der Codenummer `E171´). Theoretische Überlegungen lassen vermuten, dass Sterne, und zwar speziell Sterne mit sehr geringen Oberflächentemperaturen, in großen Mengen Titanoxide produzieren, die dann mit dem Sternwind nach außen transportiert werden. "Sie neigen dazu, sich in Form von Staubpartikeln zusammenzuballen, die dann im Optischen oder im Infraroten sichtbar werden", sagt Nimesh Patel vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Und die katalytische Wirkung von Titandioxid beeinflusst vermutlich die chemischen Prozesse, die auf den Staubkörnern stattfinden", ergänzt Holger Müller von der Universität zu Köln. "Das ist sehr wichtig für die Entstehung von größeren Molekülen im Weltraum."

Absorptionsbanden von Titanoxid im sichtbaren Bereich des Spektrums sind seit mehr als 100 Jahren bekannt. Tatsächlich benutzt man diese Linien sogar zur Klassifikation von bestimmten Sterntypen mit niedrigen Oberflächentemperaturen (Spektraltyp M und S). Das Pulsationsverhalten von Mira-Sternen, einer bestimmten Klasse von veränderlichen Sternen, wird auf den Einfluss von TiO zurückgeführt. Mira-Sterne sind veränderliche Überriesensterne in einem sehr späten Entwicklungsstadium, die nach dem Prototypen Mira (`die Wundervolle´) im Sternbild Cetus (Walfisch) benannt werden.

Beobachtungen von TiO and TiO2 zeigen, dass diese beiden Moleküle in der Umgebung von VY CMa in größerer Menge vorhanden sind, und zwar in Bereichen, die auch mehr oder weniger von der Theorie vorhergesagt werden. Es scheint jedoch, dass ein bestimmter Anteil dieser Moleküle keinen Staub bildet, sondern in der Gasphase beobachtet wird. Eine mögliche Erklärung dafür wäre, dass der Staub im umgebenden Nebel zerstört wurde und daher Titanoxid wieder im Gas gefunden wird. Ein solches Szenario wird dadurch unterstützt, dass Bestandteile des Sternwindes um VY CMa miteinander kollidieren.

Die neuen Entdeckungen in Submillimeter-Wellenlängen sind vor allem wichtig, um den Prozess der Staubentstehung zu erforschen. Bei optischen Wellenlängen hat man das Problem, das die von den Molekülen ausgesandte Strahlung an Staubpartikeln in dem umgebenden Nebel gestreut wird und sich daraus ein verschwommenes Bild ergibt. Dieser Effekt kann bei Radiowellen im Submillimeter-Bereich vernachlässigt werden und ermöglicht dadurch wesentlich präzisere Messungen.

Die Entdeckung von TiO and TiO2 im Spektrum von VY CMa erfolgte mit dem Submillimeter-Array (SMA), einem Radiointerferometer auf dem Mauna Kea in Hawaii, USA (Abbildung 2). Da dieses Instrument insgesamt acht Einzelantennen miteinander verbindet, die ein virtuelles Teleskop von 226 Metern Durchmesser ergeben, konnten die Astronomen ihre Messungen mit bislang nicht erreichter Empfindlichkeit und Winkelauflösung durchführen. Eine Bestätigung der neuen Entdeckungen erfolgte später mit dem Plateau-de-Bure-Interferometer (PdBI) des IRAM-Instituts in den französischen Alpen.

Das neue `Atacama Large Millimeter/submillimeter Array´ (ALMA) in Chile ist soeben offiziell eröffnet worden. "ALMA wird die Untersuchung von Titanoxiden und weiteren Molekülen in VY CMa bei sogar noch besserer Auflösung ermöglichen", schließt Tomasz Kamiñski. "Damit lassen unsere Resultate einiges für zukünftige Entdeckungen erwarten."

Kontakt:

Dr. Tomasz Kamiñski,
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49(0)228-525-392
E-mail: kaminski@mpifr-bonn.mpg.de

Prof. Dr. Karl M. Menten,
Direktor und Leiter der Forschungsabteilung "Millimeter- und Submillimeter-Astronomie",
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49(0)228-525-297
E-mail: kmenten@mpifr-bonn.mpg.de

Dr. Norbert Junkes,
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit,
Max-Planck-Institut für Radioastronomie,
Fon: +49(0)228-525-399
E-mail: njunkes@mpifr-bonn.mpg.de

Norbert Junkes | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpifr-bonn.mpg.de
http://www3.mpifr-bonn.mpg.de/public/pr/pr-tio-mar2013-dt.html
http://www.aanda.org/index.php?option=com_article&access=doi&doi=10.1051/0004-6361/201220290&Itemid=129

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