Pressemitteilung

VLTI spürt exozodiakales Licht auf

Neue Herausforderung für direkte Abbildungen von Exo-Erden

3. November 2014

Ein internationales Astronomenteam hat das Very Large Telescope Interferometer (VLTI) bis an seine Grenzen ausgereizt und exozodiakales Licht nahe an der habitablen Zone um neun nahegelegene Sterne entdeckt. Exozodiakales Licht ist Sternlicht, das von Staub reflektiert wird, der aus Kollisionen zwischen Asteroiden und der Verdampfung von Kometen resultiert. Die Anwesenheit so großer Mengen an Staub in den inneren Regionen um einige Sterne könnte in der Zukunft ein Hindernis bei der direkten Abbildung von erdähnlichen Planeten darstellen.

Die Astronomen beobachteten 92 nahegelegene Sterne mit dem Very Large Telescope Interferometer (VLTI) im nahen Infrarotlicht [1], um exozodiakales Licht von heißem Staub nahe ihrer habitablen Zonen zu untersuchen und kombinierten die neuen Daten mit früheren Beobachtungen [2]. Um neun der untersuchten Sterne konnte sehr helles exozodiakales Licht beobachtet werden, das durch das Leuchten der heißen exozodiakalen Staubkörner oder durch die Reflektion von Sternlicht an diesen Staubkörnern erzeugt wird.

Von dunklen Beobachtungsorten auf der Erde sieht das Zodiakalicht wie ein schwacher, diffuser weißlicher Schein aus, den man am Nachthimmel nach dem Ende der Abenddämmerung oder vor Beginn der Morgendämmerung sehen kann. Er wird durch die Reflektion des Sonnenlichts an kleinen Partikeln hervorgerufen und scheint sich von der Sonne aus auszubreiten. Dieses reflektierte Licht ist nicht nur von der Erde aus sichtbar, sondern kann überall im Sonnensystem beobachtet werden.

Der glimmende Schein, der in dieser neuen Studie betrachtet wird, ist eine viel extremere Version desselben Phänomens. Zwar ist dieses exozodiakale Licht – Zodiakallicht in anderen Sternsystemen – schon zuvor beobachtet worden, aber dies ist die erste große, systematische Studie dieses Phänomens um nahegelegenene Sterne.

Im Gegensatz zu früheren Messungen beobachtete das Team keinen Staub, der sich später zu Planeten zusammenklumpt, sondern Staub, der durch Kollisionen zwischen Planetenbruchstücken von einigen wenigen Kilometern Größe erzeugt wird – Objekten, die als Planetesimale bezeichnet werden und die den Asteroiden und Kometen des Sonnensystems ähnlich sind. Staub dieser Art ist auch der Ursprung des Zodiakallichts im Sonnensystem.

"Wenn wir die Entstehung der erdähnlichen Planeten nahe der habitablen Zone untersuchen wollen, müssen wir den zodiakalen Staub in dieser Region um andere Sterne herum beobachten", sagt Steve Ertel von der ESO und der Universität von Grenoble in Frankreich, der Erstautor des Fachartikels, in dem die Studie beschrieben wird. “Das Aufspüren und Charakterisieren dieser Art von Staub um andere Sterne herum ist ein Weg, die Architektur und Entstehung von Planetensystemen zu studieren."

Die Entdeckung schwachen Staubs nahe an dem blendenden Zentralstern erfordert hochauflösende Beobachtungen mit Interferometern von hohem Kontrast. Interferometrie – die das Licht kombiniert, das genau zur selben Zeit mit mehreren Teleskopen gesammelt worden ist – durchgeführt im Infrarotlicht, ist soweit die einzige Technik, die es erlaubt, diese Art Systeme zu entdecken und zu untersuchen.

Nur indem sie das VLTI in Sachen Präzision und Effektivität bis an seine Grenzen brachten, war es dem Wissenschaftlerteam möglich, eine zehnfach bessere Leistung als alle anderen Instrumente der Welt zu erreichen.

Für jeden der untersuchten Sterne verwendete das Team die VLT-Hilfsteleskope mit 1,8 Metern Durchmesser, um Licht in das VLTI zu bringen. Wo starkes exo-zodiakales Licht vorhanden war, konnten sie auch die ausgedehnten Staubscheiben vollständig auflösen und deren schwaches Leuchten vom dominanten Licht des Sternes zu trennen [3]. 

Über die Analyse der Eigenschaften der Sterne, die von einer Scheibe von exozodiakalem Staub umgeben sind, fand das Team heraus, dass der meiste Staub um ältere Sterne entdeckt wurde. Dieses Resultat war sehr überraschend und wirft einige Fragen auf für unser Verständnis von Planetensystemen. Alle bekannten Mechanismen zur Staubproduktion, die von Kollisionen von Planetesimalen verursacht wird, sollte über die Zeit abnehmen, da die Anzahl der Planetesimale sich verringert, wenn sie zerstört werden.

Die Stichprobe von beobachteten Objekten umfasste auch 14 Sterne, bei denen zuvor Exoplaneten entdeckt worden waren. All diese Planeten befinden sich in derselben Region des Systems wie der Staub, der das Zodiakallicht erzeugt. Die Gegenwart von exozodiakalem Licht in Systemen mit Planeten könnte für weitere astronomische Studien von Exoplaneten problematisch sein.

Exozodiakale Staubemission, auch auf niedrigem Niveau, macht es bedeutend schwieriger, erdähnliche Planeten durch direkte Aufnahmen zu entdecken. Das exozodiakale Licht, das in dieser Studie entdeckt wurde, ist um einen Faktor 1000 heller als das Zodiakallicht, das um die Sonne herum zu sehen ist. Die Anzahl der Sterne, die Zodiakallicht auf dem Niveau des Sonnensystems aufweisen, ist sehr wahrscheinlich höher als die Anzahl, die in der Untersuchung gefunden wurde. Diese Beobachtungen sind deshalb nur ein erster Schritt zu mehreren detaillierten Studien von Exo-Zodiakallicht.

"Die hohe Entdeckungsrate auf diesem Helligkeitsniveau lässt uns vermuten, dass es eine bedeutende Anzahl von Systemen gibt, die leuchtschwächeren Staub enthalten, der mit unseren Methoden nicht mehr beobachtbar ist, aber trotzdem viel heller wäre als der zodiakale Staub des Sonnensystems”, erklärt Olivier Absil, Koautor des Artikels von der Universität Lüttich. “Die Anwesenheit solchen Staubes in vielen Systemen könnte deshalb ein Hindernis für zukünftige Beobachtungen werden, die darauf abzielen, direkte Bilder von erdähnlichen Exoplaneten zu machen.“

Endnoten

[1] Das Team nutzte das VLTI-Gastinstrument PIONIER, das in der Lage ist alle vier Hilfsteleskope oder alle vier Hauptteleskope des VLT auf dem Paranal Observatorium interferometrisch zu verbinden. Dies führt nicht nur zu extrem hoher Auflösung der Ziele, sondern es erlaubt eine hohe Beobachtungseffizienz

[2] Frühere Beobachtungen wurden mit der CHARA-Anlage gemacht - einem optischen astronomischen Interferometer, das vom Center for High Angular Resolution Astronomy (CHARA) an der Georgia State University betrieben wird, in Kombination mit dem Glasfaser-Strahlteiler FLUOR (Fibre Linked Unit for Optical Recombination).

[3] Als Nebenprodukt haben diese Beobachtungen zur Entdeckung neuer, unbekannten stellarer Begleiter geführt, die einige der massereichsten Sterne der Untersuchung umkreisen. "Diese neuen Begleiter legen nahe, dass wir unsere gegenwärtige Annahme revidieren müssen, wie viele dieser Sterntypen wirklich Doppelsysteme sind", sagt Lindsay Marion, Erstautorin eines zusätzlichen Artikels, das die Hauptstudie ergänzt und dabei dieselben Daten verwendet.

Weitere Informationen

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse von S. Ertel et al. erscheinen demnächst unter dem Titel “A near-infrared interferometric survey of debris-disc stars. IV. An unbiased sample of 92 southern stars observed in H-band with VLTI/PIONIER” in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics. Der begleitende Artikel über Begleitsterne, die bei der Untersuchung gefunden wurden, ist "Searching for faint companions with VLTI/PIONIER. II. 92 main sequence stars from the Exozodi survey" von L. Marion et al., in derselben Ausgabe des Journals.

Das Team besteht aus S. Ertel (Université Grenoble Alpes, Frankreich; ESO, Chile), O. Absil (Universität Lüttich, Belgien), D. Defrère (University of Arizona, USA), J.-B. Le Bouquin (Université Grenoble Alpes), J.-C. Augereau (Université Grenoble Alpes), L. Marion (Universität Lüttich), N. Blind (Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik, Garching), A. Bonsor (University of Bristol, Großbritannien), G. Bryden (California Institute of Technology, Pasadena, USA), J. Lebreton (California Institute of Technology) und J. Milli (Université Grenoble Alpes).

Die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation von 15 Ländern: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist der europäische Partner bei den neuartigen Teleskopverbund ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO ein Großteleskop mit 39 Metern Durchmesser für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird: das European Extremely Large Telescope (E-ELT).

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Links

• Fachartikel zum exozodiakalen Licht
• Begleitartikel über stellare Begleiter
• Kurzmitteilung zum PIONIER-Instrument

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