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Originalpublikation

T. Kallinger, S. Hekker, R.A. Garcia, D. Huber and J. Matthews

Precise stellar surface gravities from the timescales of convectively driven brightness variations

Astronomie

Die Bewohnbarkeit fremder Welten

Neue Methode gestattet präzise Messungen der Schwerebeschleunigung von Sternen sowie der Größe von Exoplaneten

1. Januar 2016

Wie viel wir auf einem Planeten wiegen, hängt von der Gravitation auf seiner Oberfläche ab. Aber auch bei Sternen ist die Schwerebeschleunigung eine wichtige Größe, die sich im Laufe eines Sternlebens drastisch ändert und Aufschluss über Alter und Entwicklungszustand gibt. Da uns die Sterne am Nachthimmel nur als kleine Lichtpunkte erscheinen, ist dieser Wert jedoch sehr schwer zu messen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Göttingen, der Universität Wien sowie aus Kanada, Frankreich und Australien haben nun eine neue Methode entwickelt, mit der sie die Gravitation an der Oberfläche ferner Sterne auf wenige Prozent genau bestimmen können. Damit lassen sich auch die Größe und die Bewohnbarkeit von Exoplaneten besser ermitteln.
<p>Sterne im Diagramm: Die typische Zeitskala der akustischen Schwingungen und konvektiven Bewegungen eines Sterns gibt Aufschluss &uuml;ber die Schwerebeschleunigung an seiner Oberfl&auml;che. Links unten befinden sich Sterne wie unsere Sonne mit sehr hoher Schwerebeschleunigung und kurzen Schwingungs- und Konvektionszeitskalen. Im Lauf ihres Lebens bewegen sich Sterne zu immer l&auml;ngeren Zeitskalen und daher niedrigeren Schwerebeschleunigungen. Dabei &auml;ndern sich die Radien der Sterne drastisch. Rechts oben befinden sich die roten Riesensterne mit der etwa 50-fachen Gr&ouml;&szlig;e unserer Sonne.</p> Bild vergrößern

Sterne im Diagramm: Die typische Zeitskala der akustischen Schwingungen und konvektiven Bewegungen eines Sterns gibt Aufschluss über die Schwerebeschleunigung an seiner Oberfläche. Links unten befinden sich Sterne wie unsere Sonne mit sehr hoher Schwerebeschleunigung und kurzen Schwingungs- und Konvektionszeitskalen. Im Lauf ihres Lebens bewegen sich Sterne zu immer längeren Zeitskalen und daher niedrigeren Schwerebeschleunigungen. Dabei ändern sich die Radien der Sterne drastisch. Rechts oben befinden sich die roten Riesensterne mit der etwa 50-fachen Größe unserer Sonne.

In den vergangenen Jahren haben die Astronomen tausende Planeten um ferne Sterne (Exoplaneten) entdeckt, die meisten davon mit der Transitmethode. Dabei sucht man nach Helligkeitsschwankungen, die entstehen, wenn Planeten vor ihrer Muttersonne vorüberziehen und dabei einen Teil des Sternlichts blockieren. Aus der Lichtkurve ergibt sich die Größe eines Planeten – aber immer nur relativ zu jener seines Sterns.

Um herauszufinden, ob ein neu entdeckter Planet der Erde ähnlich ist, oder ob es sich etwa um einen Gasriesen wie Jupiter handelt, muss man die Eigenschaften des Sterns genau kennen. So lässt sich aus der Schwerebeschleunigung die Größe des Sterns und schließlich auch die des Planeten ableiten.

Bisher waren exakte Messungen der Schwerebeschleunigung nur für wenige, relativ helle Sterne möglich. Wie die Astronomen jetzt im Fachblatt Science Advances berichten, erlaubt die neue Methode, die Oberflächengravitation bei nahezu gleichbleibender Genauigkeit für wesentlich lichtschwächere Sterne zu bestimmen.

Das Verfahren bedient sich minimaler Helligkeitsschwankungen des Sternlichts. Obwohl das Leuchten der Sterne am Nachthimmel auf den ersten Blick konstant erscheint, ist es doch messbaren Änderungen unterworfen: Akustische Schwingungen im Innern eines Sterns verändern die Menge des abgestrahlten Lichts, genauso wie konvektive Bewegungen – das Aufsteigen heißer Gasblasen und deren Absinken nach dem Abkühlen.

Beide Phänomene werden direkt von der Oberflächengravitation des Sterns beeinflusst. Sie lassen sich daher für die Messung der Schwerebeschleunigung, die sich aus der Masse und dem Radius des Sterns ergibt, nutzen.

Dass man nicht unbedingt ins Weltall schauen muss, um diese Phänomene zu beobachten, erklärt Erstautor Thomas Kallinger von der Universität Wien. Ein Blick in die eigene Küche genügt: „Erhitzt man Wasser in einem Topf, dann steigt es vom Boden zur Oberfläche auf, wo die transportierte Wärme an die Luft abgegeben wird. Die Flüssigkeit sinkt wieder ab, und der Zyklus beginnt erneut.“

Diese Zirkulation transportiert Energie und wird Konvektion genannt. Sie findet unter anderem auch in den Schichten unter der Sonnenoberfläche statt, ebenso in den meisten Sternen unserer Galaxis.

Um die akustischen Schwingungen und konvektiven Bewegungen eines Sterns untersuchen zu können, wird seine Helligkeit über einen langen Zeitraum hinweg in kurzen Abständen bestimmt. Die gemessenen Helligkeitswerte – gegen die Zeit aufgetragen – ergeben eine Lichtkurve.

Die genaueste Methode, die für die Messung der Schwerebeschleunigung zur Verfügung steht, ist die detaillierte Analyse der Sternschwingungen und damit der Lichtkurve. Das Verfahren lässt sich jedoch nur für solche Sterne anwenden, bei denen sich die Schwingungen deutlich vom Hintergrundrauschen abheben. Das ist aber meist nur bei hellen und daher bei relativ wenigen Sternen der Fall.

Viel häufiger haben Astronomen es mit Sternen zu tun, die zu lichtschwach sind, um bei ihnen Schwingungen im Detail zu untersuchen. Deren Lichtkurven sind stärker verrauscht. Denn das Signal-zu-Rausch Verhältnis hängt unter anderem von der Helligkeit eines Sterns ab. Je schwächer ein Stern, umso weniger Signal kommt am Detektor an und umso schwieriger wird es, dieses zu verarbeiten. Bei derart verrauschten Lichtkurven lassen sich die einzelnen Frequenzen nicht mehr extrahieren, die klassische Methode versagt.

Das neue Verfahren, das die Forscher Autocorrelation Function Timescale Technique oder kurz Timescale Technique nennen, erlaubt es nun, auch für lichtschwache Sterne mit stark verrauschten Lichtkurven einen genauen Wert für die Schwerebeschleunigung zu ermitteln.

Die Astronomen filtern dabei die Lichtkurven, um langperiodische Signale – die etwa vom Magnetfeld des Sterns herrühren und nicht direkt von der Oberflächengravitation beeinflusst sind – zu unterdrücken. Aus der gefilterten Lichtkurve lässt sich dann die typische Zeitskala des von Konvektion und Pulsation verursachten Signals ermitteln.

Dies geschieht mittels eines sogenannten Hochpassfilters, der langperiodische Signale aus den Daten siebt. Die Filterfrequenz muss dabei so gewählt werden, dass das zu messende Signal nicht auch noch gefiltert wird. Denn man will ja alle periodischen Signale entfernen, die nicht mit der Gravitation korrelieren, also etwa Signale, die von der Sternrotation herrühren.

Die Genauigkeit des Verfahrens liegt bei ungefähr vier Prozent. Die einzige bisher existierende Methode, die sich auf schwach leuchtende Sterne anwenden lässt, liefert dagegen nur eine Genauigkeit von etwa 25 Prozent.

Anwendungsmöglichkeiten für ihr Verfahren sehen die Forscher reichlich: Nicht nur das Weltraumteleskop Kepler sucht derzeit mit der Transitmethode nach Exoplaneten und generiert dabei Hunderttausende hochpräziser Lichtkurven. Auch zukünftige Missionen wie PLATO oder TESS sollen auf diese Weise arbeiten.

Dabei werden Millionen von Sternen beobachtet, die sich mit dem neuen Verfahren hinsichtlich ihrer Entwicklungszustände als auch der Größen ihrer (möglicherweise vorhandenen) Planeten untersuchen lassen.

„Die Methode liefert uns präzise Werte von Sternparametern, die wir benötigen, um die Struktur und das Alter der Sterne zu bestimmen“, sagt Koautorin Saskia Hekker vom Göttinger Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung. Und: „Die Ergebnisse zu den individuellen Sternen werden auch sehr nützlich sein, um unsere Milchstraße besser zu verstehen.“

EG / HOR

 
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