Herschel und das infrarote Universum

Die sechste Folge der AstroViews ist ganz dem Infrarotsatelliten Herschel gewidmet:

Warum beobachten wir die kältesten Objekte im Universum mit Infrarot-Teleskopen?

Unsere kosmische Nachbarschaft in 3D

Die Erde, dritter Planet im Sonnensystem, in dessen Zentrum ein mittelgroßer, mittelmäßig heller, gelblicher Stern steht, die Sonne. Der Stern zieht seine Bahn um das Zentrum der Milchstraße, relativ weit außen schon, in einem der vielen Spiralarme, den wir den Orion-Arm nennen. Unsere Heimatgalaxie ist schon ein stattliches Exemplar ihrer Art, das neben einem Schwarm von Kugelsternhaufen auch eine Reihe von kleinen Begleitgalaxien um sich schart.Gleiches macht auch unsere nächste größere Nachbarin, die Andromedagalaxie, die sich derzeit fleißig auf uns zu bewegt - genau wie wir uns auf sie zubewegen. Gemeinsam mit der Dreiecksgalaxie bilden die zwei und ihr Anhang die Lokale Gruppe von Galaxien. Aber wie geht es dann weiter?

Die Lokale Gruppe ist Bestandteil des Virgo-Superhaufens, zu dem auch der Virgo-Galaxienhaufen gehört. Dessen Galaxien sind durchschnittlich schon 65 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Wir können messen, daß auch der Virgohaufen fleißig an uns zieht. Trotzdem entfernen sich die Galaxien des Virgohaufens von uns, Schuld daran ist die Expansion des Universums. Und außerhalb des Virgohaufens, wie sieht es da aus? In welche Richtungen gibt es weitere Galaxien oder Ansammlungen von Galaxien? Um das herauszufinden, wirft man am besten erstmal einen Blick in eine Himmelsdurchmusterung. Derzeit stehen mit Pan-STARRS, VISTA, VST oder dem LSST ja eine ganze Reihe von Teleskopen vor Himmelsdurchmusterungen in den Startlöchern oder haben ihre Arbeit vor kurzem aufgenommen.

Eine der Himmelsdurchmusterungen, die schon seit einigen Jahren abgeschlossen ist und wo daher schon alle Daten des kompletten Himmels zur Verfügung stehen, ist 2MASS, der Two Micron All Sky Survey. Wie der Name andeutet, hat 2MASS im nahen Infraroten beobachtet und dabei auch jede Menge Galaxien abgelichtet. Damit hätten wir also schonmal eine Himmelskarte von Galaxien, wissen aber noch nicht wie weit sie weg sind. Das herauszufinden, war Aufgabe des 2MASS Redshift Survey (2MRS), bei dem in jahrelangen Nachbeobachtungen die Rotverschiebungen der abgelichteten Objekte gemessen wurden. Für unsere kosmische Nachbarschaft läßt sich die wiederum einigermaßen genau in Entfernungen umrechnen.

Mit dem 2MASS Redshift Survey ist man bei der Durchmusterung des Himmels nach nahen Galaxien so nah an die Milchstraßenebene herangerückt wie nie zuvor. Image Credit: T.H. Jarrett (IPAC/SSC)

Das Resultat ist eine farbkodierte Karte, die uns zeigt wo sich jede der vermessenen Galaxien im Raum befindet. Die Farbdarstellung macht wunderbar sichtbar, wo sich Galaxien zu Haufen gleicher Entfernung anordnen und wo sich bereits die typischen Strukturen des Kosmos - walls and voids genannt - herausbilden. Wohlgemerkt, diese Karte beinhaltet "nur" die 43.000 nächsten Galaxien bis zu einer Rotverschiebung von etwa z=0.03, was grob 370 Millionen Lichtjahren Entfernung entspricht. Die am weitesten entfernten Galaxien, die man heute kennt, kommen auf z-Werte im Bereich 8-10. Das Licht war von ihnen bis zu uns bis zu 13 Milliarden Jahre lang unterwegs, während sich der Raum um sie herum fleißig ausgedehnt hat, daß daß sie inzwischen mehr als 40 Milliarden Lichtjahre weit weg sein können.

Im Auge des Sturms

Auf der Erde richten die großen Wirbelstürme - je nachdem wo sie entstehen und "ihr Unwesen treiben", nennt man sie Hurrikan, Zyklon, Taifun oder Willy-Willy - schonmal größere Verwüstungen an. Aber unser Heimatplanet ist bei weitem nicht der einzige, wo solche Wetterphänomene auftreten. Auf auf anderen Planeten in unserem Sonnensystem gibt es Wolken und Strömungen. Und schnell hat sich da mal ein Wirbelsturm gebildet. Auf dem Neptun zum Beispiel, oder auf dem Saturn. Während sich die großen Strudel in der Erdatmosphäre meist nach wenigen Wochen wieder auflösen wenn sie sich ausgetobt haben, sind die Wirbelstürme anderswo oft viel langlebiger.

Das beste Beispiel für so einen Sturm-Opa ist und bleibt wohl der Große Rote Fleck auf dem Jupiter. Vor mehr als 300 Jahren wurde er das erste mal gesichtet, und wird seitdem immer wieder gern von Amateurastronomen aufs Korn genommen. Er bewegt sich nur langsam innerhalb seines Wolkenbandes in der Jupiteratmosphäre, große Änderungen im breitengrad zeigt er nicht. Dafür wechselt er gerne mal seine Farbe: Von wirklich auffälligen Rottönen bis hin zu schwachem Beige ist alles drin.

Dafür interessieren sich natürlich Planetologen und Atmosphärenforscher. Was macht die Farbe des großen Roten Flecks aus? Wie sieht es in seinem Inneren aus? Und überhaupt, wie schafft er es, sich so lange am Leben zu halten?

Infrarotaufnahme des großen Roten Flecks auf dem Jupiter, aufgenommen mit der Infrarotkamera VISIR am VLT. Image Credit: ESO/NASA/JPL/ESA/L. Fletcher

Klar daß Raumsonden und bodengebundene Teleskope also immermal wieder auf den Jupiter und seinen Fleck gerichtet werden um dem nachzugehen. So zum Beispiel mit der Infrarotkamera VISIR am Very Large Telescope. Im Infraroten leuchtet uns der Fleck strahlend hell entgegen, ganz anders als derzeit im sichtbaren Licht. Aber auch nicht in allen Bereichen, mancherorts im Auge des Sturms ist es auch dunkel im Infraroten. Und weil wir da ja Wärmestrahlung sehen, machen sich so Temperaturdifferenzen bemerkbar. Zwar sind es nur einige wenige Grade, aber die machen bei der Bildung eines Sturms ja gerade das Geheimnis aus.

Milchstraße, zeig deinen Sternennachwuchs!

So etwa 13 Milliarden Jahre hat unsere Milchstraße auf dem Buckel, schon kurz nach der Entstehung des Universums selber bildete sie sich wie andere Galaxien auch. Die ersten Sterngenerationen sind schon lange vergangen, aber selbst heute besteht unsere Galagxis nicht nur aus Milliarden Jahre alten Sterngreisen kurz vor Ende ihres Lebens. Unsere Sonne bringt es ja auch schon auf 4 1/2 Milliarden Jahre, aber sie wird nochmal mindestens genauso lange friedlich vor sich hinfusionieren bis sie als Weißer Zwerg eingebettet in einen Planetarischen Nebel endet. Ein gesetzter Stern mittleren Alters ist sie also.

Aber wie das auch in unserer Gesellschaft so ist, nicht auf die Rentner und die über 50jährigen schaut man, sondern auf die Kinder und Jugendlichen, sie sind die Zukunft. Wo sind sie also, die jungen Sterne, die nach dem ende unserer Sonne mal das Aussehen unserer Galaxis bestimmen werden?


Gar nicht leicht zu finden sind sie. Sterne die gerade erst entstanden sind, verstecken sich meist noch in Gas- und Staubwolken, ihrer Kinderstube. Um sie zu finden, sucht man am besten im Infraroten, zum Beispiel mit dem Spitzer-Satelliten. Im Galactic Legacy Infrared Mid-Plane Survey Extraordinaire oder kurz GLIMPSE hat man einen großen Bereich der Milchstraße durchmustert, 130° lang und 2° oder 330 mal die Fläche des Vollmonds, und nach jungen Sternen gesucht. Über 20000 hat man gefunden, inmitten von 100 Millionen "normaler" Sterne.

Im Vergleich zu anderen Galaxien sind das jetzt nicht übermäßig viele junge Sterne, aber auch nicht wenige. Unsere Milchstraße wird also noch ein Weilchen bestehen bleiben.

Wie baut man eine Milchstraße?

Bei klarem Himmel sehen wir sie jede Nacht in ihrer ganzen Pracht, im Sommer allerdings eindrucksvoller als jetzt im angehenden Winter, die Milchstraße. Sie ist die kosmische Heimat für unser Sonnensystem, auch wenn wir uns eher in den Außenbereichen, in einem ihrer zahlreichen Spiralarme befinden. Aber wieso sieht die Milchstraße eigentlich so aus wie sie aussieht, und wie ist sie entstanden?

Den besten Einblick in die Milliarden Jahre alte Geschichte unserer Heimatgalaxie liefern ihre Begleitgalaxien und die Kugelsternhaufen. Kleine Zwerggalaxien wie die beiden Magellanschen Wolken, die gravitativ an die Milchstraße gebunden sind, zeigen uns wie das Zusammenspiel von großer Spirale und ihren Begleitern funktioniert: Beide sind von irregulärer Form, verzerrt durch Wechselwirkungen mit der Milchstraße. Hinzu kommt, in beiden findet aktiv Sternentstehung statt, auch das wird angeregt durch nahe Vorübergänge oder gar Durchgänge der zwei durch die Scheibenebene unserer Galaxis. Daß die kleinen Begleiter davon ziemlich mitgenommen werden, zeigt sich auch in den sogenannten Tidal Streams, das sind Sternströme die durch Gezeitenkräfte aus ihnen herausgerissen werden. Schließlich und endlich werden die kleinen Zwerggalaxien auf diese Weise aufgelöst werden.

Der Sternhaufen Terzan 5 im Zentrum der Galaxis, sichtbar gemacht im Infrarotlicht mit dem neuartigen MAD-Instrument am Very Large Telescope der ESO in Chile. Image Credit: ESO/F. Ferraro

Ganz anders dagegen die Kugelsternhaufen. Auch sie sind Begleiter der Milchstraße, allerdings kleiner als die Zwerggalaxien. Die Sterne die in ihnen enthalten sind, gehören zu den ältesten, die man in der Milchstraße kennt, neue Sterne werden dort nicht mehr geboren. Meistens jedenfalls, oder besser gesagt, Ausnahmen bestätigen die Regel. Der Sternhaufen Terzan 5, der sich inmitten des galaktischen Zentrums befindet, tanzt aus der Reihe. Er sieht aus wie ein Kugelsternhaufen, zeigt aber Eigenschaften einer Zwerggalaxie: Anomalien in der Elementhäufigkeit und ein Mix aus jungen und alten Sternen. Terzan 5 war wahrscheinlich mal eine solche Begleitgalaxie, wurde dann aber vom Bulge unserer Milchstraße vereinnahmt. Seine letzten Überreste sehen wir als kleinen Kugelsternhaufen.

Filmreifer Crash

Das Infrarotobservatorium Spitzer hat im etwa 100 Lichtjahre entfernten jungen Sonnensystem HD 172555 im Sternbild Pfau Überreste einer Kollision zweier Planetoiden aufgespürt. Das Team um Carey Lisse vom Applied Physics Lab der Johns Hopkins University in Maryland, USA, fand im Spektrum des Sterns amorphe Silikate, also im wesentlichen Glassplitter. Um diese zu erzeugen, ist eine enorme Hitze nötig, wie sie nur zustande kommt, wenn ein mindestens mondgroßer Körper auf einen Planeten von den Ausmaßen Merkurs oder mehr prallt.

Das System HD 172555 wird auf ein Alter von lediglich einem Dutzend Millionen Jahre geschätzt. Als unser eigenes Planetensystem vor rund 4,5 Milliarden Jahren in dieser Phase war, wurde es ebenfalls von einigen solcher Kollisionen erschüttert. Unser eigener Mond geht beispielsweise auf den Zusammenstoß der Erde mit der marsgroßen "Theia" zurück, deren Trümmer dann zum altbekannten Erdtrabanten wurden.

In den 1950ern waren Katastrophenfilme ja gang und gäbe. Wenn sich jemand in Hollywood die folgende Animation anschaut, dürfen wir uns auf 'was gefasst machen ...