Beiträge zum Jahrbuch der MPG

Wasser ist für das Leben zumindest auf der Erde unerlässlich. Daher ist die Frage nach seiner Herkunft auch für die Chance auf Leben auf anderen erdähnlichen Planeten zentral. Durch Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop James Webb haben wir nun Hinweise auf einen Mechanismus gefunden, der potenziell lebensfreundliche Planeten schon während ihrer Entstehung mit Wasser versorgt. Die JWST/MIRI-Daten zeugen von einem beträchtlichen Wasserreservoir im Zentralbereich einer planetenbildenden Scheibe aus Gas und Staub um den jungen Stern PDS 70, wo möglicherweise erdähnliche Planeten entstehen.

Durch Beobachtungen des Exoplaneten WASP-121 b mit dem Weltraumteleskop Hubble haben wir erstmals die atmosphärischen Bedingungen auf der Nachtseite eines heißen Jupiters im Detail untersucht. Unter Einbeziehung von Messungen der Tagseite ermittelten wir dessen Temperaturschichtung in der Stratosphäre und einen ungewöhnlichen Wasserkreislauf zwischen den beiden Hemisphären. Diese Studie ist ein großer Schritt zur Entschlüsselung der globalen Stoff- und Energiekreisläufe in den Atmosphären von Exoplaneten.

Aus den Daten der am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) geleiteten THOR-Durchmusterung haben wir in der Milchstraße mit rund 3900 Lichtjahren eine der längsten bekannten Strukturen identifiziert, die fast ausschließlich aus atomarem Wasserstoffgas besteht. Dieses Filament, genannt Maggie, könnte ein Bindeglied in dem Materiekreislauf der Sterne darstellen. Unsere Auswertung deutet darauf hin, dass sich dort lokal das atomare Gas zu molekularem Wasserstoff verbindet. In großen Wolken verdichtet, bilden sich darin letztendlich Sterne.

Wir haben die Leistungsfähigkeit einer neuen Methode zur Bestimmung der Massen von supermassereichen Schwarzen Löchern in Quasaren erstmalig durch Beobachtungen erfolgreich erprobt. Bei dieser Spektroastrometrie misst man Strahlung, die von Gas in der Umgebung der Schwarzen Löcher stammt. Im Vergleich zu anderen Techniken lässt sich die Spektroastrometrie mit modernen Großteleskopen relativ unkompliziert und effizient durchführen. Ihre hohe Empfindlichkeit ermöglicht die Erforschung der Umgebung leuchtkräftiger Quasare und supermassereicher Schwarzer Löcher im frühen Universum.

 

In riesigen interstellaren Gaswolken bewegen sich Gas und Staub in einem komplexen Netzwerk aus Filamenten zu den Ballungszentren, wo sich die Materie zu Sternen und Planeten verdichtet. Unsere Gruppe hat die Bewegung von Gas gemessen, das von der Dimension einer Galaxie bis hinunter zu den kleinsten Verdichtungen reicht. Es zeigte sich,  dass Gas, das alle Hierarchieebenen durchdringt, dynamisch miteinander verbunden ist: Während die Stern- und Planetenentstehung auf den kleinsten Skalen stattfindet, wird dieser Prozess auf größerer Skala durch eine Kaskade von Materieströmen gesteuert.

Die Rolle von Magnetfeldern bei der Entstehung von Sternen wird seit Jahrzehnten diskutiert. Jetzt hat eine Studie am Max-Planck-Institut für Astronomie gezeigt, dass Magnetfelder die Verdichtung von interstellarer Materie begünstigen und vorantreiben können – eine Vorbedingung für die Entstehung von Sternen. Diese Schlussfolgerung ergibt sich aus dem Befund, dass sich die interstellare Materie abhängig von ihrer Dichte mal parallel mal eher senkrecht zu den Magnetfeldlinien ausrichtet.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) und des Konsortiums des SPHERE-Instruments am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) haben einen extrem jungen Exoplaneten im Stadium seiner Entstehung entdeckt und charakterisiert. Der Gasriese mit der Bezeichnung PDS 70 b wurde innerhalb einer Lücke der proto­planetaren Scheibe des Sterns PDS 70 nachgewiesen. Damit befindet sich PDS 70 b noch in der Umgebung seiner Entstehung und dürfte nach wie vor neue Materie auf sich ziehen.

Forscher unter der Leitung von Maria Bergemann vom Max-Planck-Institut für Astronomie haben eine Gruppe von Sternen im Umfeld der Milchstraße untersucht und dabei festgestellt, dass ihre chemische Zusammensetzung derjenigen der galaktischen Scheibe ähnelt. Daraus schließen sie, dass die Sterne ursprünglich aus dem Inneren der Scheibe stammen und nicht etwa aus eingefangenen Satellitengalaxien. Als Auslöser dieser stellaren Migration vermuten die Wissenschaftler eine Schwingung der Milchstraßenscheibe – wahrscheinlich verursacht durch die Gezeitenwirkung einer vorbeiziehenden Satellitengalaxie.

Astronomen der McMaster University und des Max-Planck-Instituts für Astronomie haben ein stimmiges Szenario für die Entstehung von Leben auf der Erde berechnet, das auf astronomischen, geologischen, chemischen und biologischen Modellen basiert. In diesem Szenario formt sich das Leben nur wenige hundert Millionen Jahre, nachdem die Erdoberfläche soweit abgekühlt war, dass flüssiges Wasser existieren konnte. Die wesentlichen Bausteine für das Leben wurden während der Entstehung des Sonnensystems im Weltraum gebildet und durch Meteoriten in warmen kleinen Teichen auf der Erde deponiert.

Die Materie im Raum zwischen den Galaxien bildet ein gewaltiges Netzwerk verbundener Filamente. Fast alle Atome im Universum sind Teil dieses kosmischen Netzwerks – die meisten davon direkte Überbleibsel der Urknallphase. Jetzt hat ein Team unter Leitung des MPI für Astronomie erstmals die Feinstruktur dieses Netzwerks rund 2 Milliarden Jahre nach dem Urknall vermessen: mit einer neuen Methode, die das Netzwerk mithilfe von Paaren sehr heller, nahe beieinander stehender Quasare durchleuchtet. Die Ergebnisse helfen, die sogenannte Reionisierungsära der kosmischen Geschichte zu rekonstruieren.

Astronomen haben einen Planeten entdeckt, der den erdnächsten Stern außerhalb unseres Sonnensystems umkreist, Proxima Centauri. Der Planet, Proxima Centauri b, umläuft seinen Stern in der habitablen Zone, also dort, wo auf einem Planeten flüssiges Wasser existieren könnte. Die Entdeckung gelang mit der Radialgeschwindigkeitsmethode, die nach winzigen Bewegungsänderungen von Sternen sucht, wie sie durch umlaufende Planeten verursacht werden. Zusätzlich zu neuen Messdaten nutzte die Auswertung Spektren, die MPIA-Astronom Martin Kürster und Kollegen zwischen 2000 und 2007 aufgenommen hatten.

Zwei Astronomen haben die erste direkte Abbildung einer gigantischen X-förmigen Struktur rund um das Zentrum der Milchstraße erstellt. Das Projekt begann, als Dustin Lang (Universität Toronto) einen Tweet mit einem selbst angefertigten Milchstraßenbild verschickte; Melissa Ness (MPIA) erkannte das wissenschaftliche Potenzial der dort gezeigten Daten für die Geschichte unserer Galaxis. Die X-förmige Struktur zeigt an, dass die zentrale Verdickung unserer Milchstraße durch dynamische Wechselwirkungen der Sterne entstanden sein dürfte, nicht durch den Zusammenstoß mit kleineren Galaxien.

Astronomen haben die erste Detailuntersuchung von Atmosphäreneigenschaften eines Braunen Zwergs (Mittelding zwischen Stern und Planet) veröffentlicht: die erste Oberflächenkarte eines Braunen Zwergs überhaupt – das Analogon einer Wetterkarte – sowie Messungen, die Atmosphäreneigenschaften in unterschiedlichen Höhenlagen erfassen. Die Ergebnisse läuten eine neue Ära der Erforschung Brauner Zwerge ein, in der Astronomen Modelle für die Wolkenbildung auf diesen Gebilden (und später auch auf riesigen Gasplaneten) anhand von Beobachtungen überprüfen können.

Ein Astronomenteam unter der Leitung von Khee-Gan Lee vom MPI für Astronomie hat die erste dreidimensionale Karte aus der stürmischen Jugend unseres Universums rekonstruiert: aus einer Zeit ganze drei Milliarden Jahre nach dem Urknall. Die Forscher verwendeten eine neue Technik analog zur Computertomographie der Mediziner: Mithilfe des Lichts entfernter Hintergrundgalaxien durchleuchteten sie den Kosmos und rekonstruierten seine 3D-Struktur. Die so geschaffene Karte zeigt einen Ausschnitt aus dem „kosmischen Netz” aus dunkler Materie und Gas, das die größten Strukturen im Universum bildet.

Mithilfe des Teleskopverbunds ALMA gelang es, die Positionen von mehr als 100 der produktivsten sternenbildenden Galaxien im Universum mit unerreichter Genauigkeit zu bestimmen. So ließ sich ein die ungeheure Stern-Produktivität dieser Galaxien betreffendes Rätsel lösen; die Ergebnisse zeigen allerdings auch Probleme mit der Positionsgenauigkeit früherer Studien auf.

Mit dem Weltraumteleskop Herschel und dem Submillimeter-Teleskop APEX gelang die Entdeckung und Untersuchung der jüngsten bislang bekannten Protosterne: stellarer Embryos, die tief in dichte Staub-Kokons eingebettet sind.

Eine Gruppe von Astronomen um Remco van den Bosch vom Max-Planck-Institut für Astronomie hat ein Schwarzes Loch entdeckt, das an den Grundlagen heutiger Modelle der Galaxienentwicklung rüttelt. Mit 17 Milliarden Sonnenmassen ist das Schwarze Loch im Vergleich zur Masse seiner Heimatgalaxie deutlich massereicher, als es diese Modelle vorhersagen. Dies könnte sogar das massereichste bislang bekannte Schwarze Loch überhaupt sein.

Einer Forschergruppe unter Beteiligung des MPIA ist mit dem Subaru-Teleskop die Aufnahme eines „Super-Jupiters” gelungen, der den massereichen Stern κ Andromedae umkreist. Der Gasriese hat etwa 13 Jupitermassen, sein Mutterstern 2,5 Sonnenmassen. Alles deutet darauf hin, dass der Planet ähnlich entstanden ist wie normale Planeten mit geringerer Masse: in einer „protoplanetaren Scheibe” aus Gas und Staub, die den neugeborenen Stern umgab. Das macht die Entdeckung zu einem wichtigen Testfall für aktuelle Modelle der Planetenentstehung und ihre Vorhersagen über Planeten um massereiche Sterne.

Mithilfe neuester Technologie und anspruchsvollen Datenanalysewerkzeugen hat ein Team des MPI für Astronomie eine neue leistungsstarke Technik entwickelt, mit der sich die Masse einer Galaxie in einer Entfernung von rund neun Milliarden Lichtjahren zur Erde ermitteln lässt, in der sich ein aktives, extrem massereiches zentrales Schwarzes Loch befindet. Diese bahnbrechende Methode verspricht einen neuen Ansatz zur Erforschung der gemeinsamen Entwicklung von Galaxien und ihren zentralen Schwarzen Löchern, die typischerweise auf Massebestimmungen beruht.

Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astronomie haben zum ersten Mal die Ausrichtung der magnetischen Felder in riesigen Wolken aus Gas und Staub in einer fernen Galaxie gemessen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass solche Magnetfelder eine entscheidende Rolle bei der Lenkung von Materie spielen, um dichte Wolken zu bilden, und damit die Bühne für die Geburt neuer Sterne.

Der Bewegungszustand der Mitglieder eines nur eine Million Jahre alten Sternhaufens in der Milchstraße wurde ermittelt. Der Haufen steht im Zentrum des leuchtenden Gasnebels NGC 3603 und ist einer der massereichsten seiner Art. Zur Bestimmung der Geschwindigkeiten der einzelnen Sterne verglichen die Forscher Beobachtungen des Weltraumteleskops Hubble, die zehn Jahre auseinander liegen. Der Vergleich lieferte Bewegungen von Hunderten von Sternen und zeigt, dass die Haufenmitglieder noch keinen langfristig stabilen Gleichgewichtszustand erreicht haben.

Spiralgalaxien wie unsere Milchstraße können wachsen, indem sie sich kleinere Zwerggalaxien einverleiben. Dabei werden die Zwerggalaxien durch Gravitationskräfte zerissen und um die Spiralgalaxie herum entstehen surreal anmutende Ranken und Sternströme. Nun konnte eine neue Himmelsdurchmusterung solche Verschmelzungsspuren erstmals an Galaxien außerhalb unserer kosmischen Nachbarschaft nachweisen. Damit ergeben sich neue Möglichkeiten, das heutige Bild von der Entstehung von Spiralgalaxien auf die Probe zu stellen.

Wenn große Galaxien einander nahe kommen, können die dabei auftretenden Gezeitenkräfte heftige Sternbildungsaktivität auslösen. Insgesamt aber spielt dieser Prozess für die Bildung neuer Sterne keine große Rolle: Wie eine internationale Studie unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Astronomie gezeigt hat, wurde in massereichen Galaxien während der letzten acht Milliarden Jahre (bei Rotverschiebungen z < 1) die Bildung von weniger als zehn Prozent aller neuen Sterne unmittelbar durch gravitative Wechselwirkung ausgelöst – ein wichtiger Befund für die Theorie der Galaxienentwicklung.

Die ersten Bilder von HiCIAO, dem weltweit neuesten Instrument zur Suche nach extrasolaren Planeten, haben bei dem Stern GJ 758 zur Entdeckung seines lichtschwachen Begleiters G 758 B geführt. Möglicherweise ist dies die erste direkte Beobachtung eines kühlen extrasolaren Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern umläuft. Die geschätzte Masse von GJ 758 B beträgt 10 bis 40 Jupitermassen. Mit einer Temperatur von 600 Kelvin (330 Grad Celsius) ist er der kälteste – und in dieser Hinsicht den Planeten des Sonnensystem ähnlichste – jemals direkt abgebildete Begleiter eines sonnenähnlichen Sterns.

Eine Gruppe von Astronomen unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Astronomie hat die Geschwindigkeit von Sternen in dem Außenbereichen der Milchstraße gemessen und daraus den bislang genauesten Wert für die Gesamtmasse der Galaxis abgeleitet: Innerhalb eines Radius von 200.000 Lichtjahren sind 4×10¹¹ Sonnenmassen enthalten, was auf eine Gesamtmasse von 10¹² Sonnenmassen führt. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Masse des Milchstraßensystems bislang erheblich überschätzt wurde und gleichzeitig impliziert, dass in unserem Milchstraßensystem Sterne mit außergewöhnlich hoher Effizienz entstanden sind.

In der Umgebung der Sonne sind hunderte Braune Zwerge bekannt, die vermutlich ebenso häufig sind wie Hauptreihensterne. Doch die Modelle zu ihrem Aufbau und ihrer Entwicklung sind noch längst nicht so zuverlässig wie die der Sterne. Räumlich aufgelöste Doppelsysteme bieten hier die Möglichkeit, die Masse unabhängig von Modellen zu ermitteln. Einer Forschergruppe am MPI für Astronomie ist es gelungen, die Parameter der Braunen Zwerge Kelu-1A und B zu ermitteln. Ergebnis: Die Modelle liefern eine zu kleine Masse. Die Spektren weisen zudem auf einen unsichtbaren dritten Braunen Zwerg hin.

Die Entdeckung des ersten Planeten bei einem fremden Stern im Jahr 1995 hat der Erforschung extrasolarer Planeten enormen Auftrieb verliehen. Am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) bilden die Suche nach extrasolaren Planeten und die numerische Simulation der Planetenentstehung einen wichtigen Forschungsschwerpunkt. Im Rahmen eines langfristigen Suchprogramms entdeckte nun ein Team des Instituts bei dem acht bis zehn Millionen Jahre alten Stern TW Hydrae den bislang jüngsten bekannten Exoplaneten. Daraus ergaben sich wichtige Folgerungen bezüglich der Entstehung von Planeten aus den zirkumstellaren Scheiben neugeborener Sterne.

Auf dem Mount Graham in Arizona entsteht unter maßgeblicher Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) das Large Binocular Telescope. Auf einer gemeinsamen Montierung trägt es zwei Hauptspiegel mit je 8 Metern Öffnung. Im Frühjahr 2007 erfolgten erste Beobachtungen mit einem der beiden Spiegel. Matthew Coleman vom MPIA und Kollegen veröffentlichten ihre Beobachtungen als erste: Sie betreffen drei Zwerggalaxien, die unser Milchstraßensystem begleiten und deren sonderbare morphologische Eigenschaften auf die starke gravitative Wechselwirkung mit der Galaxis und eine komplexe Entwicklungsgeschichte hinweisen.

Die Früehstadien massereicher Sterne sind weitaus weniger erforscht als die von masseärmeren sonneähnlichen Objekten. Massereiche Sterne sind wesentlich seltener, haben kuerzere Entwicklungszeiten, sind im Durchschnitt weiter entfernt als typische massearme Sternentstehungsregionen, und entstehen fast immer in Sternhaufen. Sie stellen daher erhebliche Anforderungen an das Auflösungsvermögen und die Empfindlichkeit der Beobachtungsinstrumente. Die neuen Interferometer im (Sub-)Millimeterbereich erlauben es heute auch entferntere Sternentstehungsregionen mit hoher räumlicher Auflösung und ausreichender Empfindlichkeit zu untersuchen. Auf diese Weise gelangen interessante Einblicke in mehrere Entstehungsgebiete massereicher Sterne, darunter die berühmte Region Orion KL.

Wenn Galaxien nahe aneinander vorbeifliegen oder zusammenstoßen, treten gewaltige Gezeitenkräfte auf, die Staub und Gas in den Galaxien verwirbeln und komprimieren. Dies führt zu einem starken Anstieg der Sternentstehung. Mit Computersimulationen wurde gezeigt wie sich die Sternentstehungsrate während eines Verschmelzungsvorgangs verhält. und eine analytische Formel abgeleitet, mit der sich die Staubabsorption vorhersagen lässt.

Cassiopeia A ist der jüngste bekannte Supernova-Überrest in unserer Galaxis. Von Menschen unbeobachtet, muss er um 1680 explodiert sein. Der rund 11000 Lichtjahre entfernte Nebel gehört zu den meist untersuchten Himmelskörpern. Im infraroten Spektralbereich ist es nun gelungen, Lichtechos um den Supernova-Überrest zu entdecken. Diese stammen von interstellarem Staub, der durch den Lichtblitz der Supernovaexplosion und durch Strahlungsausbrüche des neu entstandenen Neutronensterns geheizt wurde.

Sehr massereiche Sterne beenden ihr kurzes aber intensives Leben mit einer gewaltigen Explosion - einer Supernova. Die dabei freigesetzten Energien sind enorm und verleihen solchen Explosionen genügend Helligkeit, um für kurze Zeit eine ganze Galaxie überstrahlen zu können. Zurück bleiben eine expandierende Hülle aus Staub und Gas und ein Neutronenstern, gewissermaßen das Skelett des explodierten Sterns. Ein Team von Astronomen am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und in den USA hat nun mithilfe des Weltraumteleskops SPITZER Anzeichen dafür gefunden, dass der für die Supernova Cassiopeia A verantwortliche Stern auch 325 Jahre nach seinem Tod immer noch äußerst aktiv ist.

Im Jahre 2003 war es gelungen, in den entferntesten Quasaren große Staubmengen nachzuweisen. Damit stellte sich die Frage, auf welche Weise der Staub innerhalb von nur etwa 700 Millionen Jahren seit dem Urknall entstanden sein konnte. Schon bald schien das Rätsel gelöst: Ein Astronomenteam behauptete, in dem Supernova-Überrest Cassiopeia A (Cas A) außerordentlich viel Staub nachgewiesen zu haben. Die Forscher schlossen daraus, dass Supernovae vom Typ II die ersten Staublieferanten im All waren. Astronomen des MPIA gingen der Sache nach und kamen zu einem anderen Schluss: Der bei Cas A gefundene Staub hat nichts mit dem Supernova-Überrest zu tun, denn er gehört in Wirklichkeit zu einem großräumigen Staubkomplex, der zwischen der Erde und Cas A liegt. Damit ist die Frage nach dem Ursprung des Staubes im jungen Universum weiterhin offen.

Nach dem ersten erfolgreichen Test des interferometrischen Messinstruments MIDI (Mid-Infrared Interferometric Instrument) Ende 2002 am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte ESO erfolgte im Berichtsjahr die Phase, in der die sichere Funktionsfähigkeit getestet wurde. MIDI erfüllte voll und ganz die hoch gesteckten Erwartungen und eröffnet damit ein neues Feld astronomischer Beobachtungen: Erstmals lässt sich im mittleren Infraroten eine Auflösung bis zu einer hundertstel Bogensekunde erreichen. Beobachtungen von zirkumstellaren Scheiben um junge Sterne sowie des Staubrings im Zentrum einer aktiven Galaxie zeigen die enorme Leistungsfähigkeit des Instruments. MIDI wurde unter der Federführung des MPIA von einem Konsortium deutscher, niederländischer und französischer Teams gebaut.