MPIA Jahresbericht 2003 - Max-Planck-Institut für Astronomie
MPIA Jahresbericht 2003 - Max-Planck-Institut für Astronomie
MPIA Jahresbericht 2003 - Max-Planck-Institut für Astronomie
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<strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong><br />
<strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong><br />
Heidelberg-Königstuhl<br />
<strong>Jahresbericht</strong> <strong>2003</strong>
Zum Titelbild:<br />
Der Saturnmond Titan im nahen Infrarot. Die Aufnahme entstand am Very Large Telescope der ESO. Zum Einsatz<br />
kam das am <strong>MPIA</strong> entwickelte, hochauflösende Kamerasystem CONICA mit seiner neuen Zusatzoptik SDI (vgl.<br />
Seite 99) in Verbindung mit der Adaptiven Optik NAOS. Der scheinbare Durchmesser des Mondes beträgt 0.8, die<br />
Bildauflösung liegt bei 0.02, entsprechend etwa 200 km auf Titan.
<strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong><br />
<strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong><br />
Heidelberg-Königstuhl<br />
<strong>Jahresbericht</strong> <strong>2003</strong>
<strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong><br />
Wissenschaftliche Mitglieder, Kollegium, Direktoren:<br />
Prof. Thomas Henning (Geschäftsführender Direktor)<br />
Prof. Hans-Walter Rix<br />
Emeritierte wissenschaftliche Mitglieder:<br />
Prof. Hans Elsässer (†), Prof. Guido Münch<br />
Auswärtige Wissenschaftliche Mitglieder:<br />
Prof. Immo Appenzeller, Heidelberg Prof. George H. Herbig, Honolulu<br />
Prof. Steven Beckwith, Baltimore Prof. Rafael Rebolo, Tenerife<br />
Prof. Karl-Heinz Böhm, Seattle<br />
Fachbeirat:<br />
Prof. Robert Williams, Baltimore (Vorsitz)<br />
Prof. Ralf-Jürgen Dettmar, Bochum Prof. Rens Waters, Amsterdam<br />
Prof. Ewine van Dishoeck, Leiden Prof. Simon D. M. White, Garching<br />
Prof. Pierre Léna, Meudon Prof. Lodewijk Woltjer, Saint-Michel-lʼObservatoire<br />
Prof. Dieter Reimers, Hamburg Prof. Harold Yorke, Pasadena<br />
Prof. Anneila Sargent, Pasadena<br />
Kuratorium:<br />
Min.-Dir. Hermann-Friedrich Wagner, Bonn (Vorsitz)<br />
Dr. Ludwig Baumgarten, Bonn Dr. Karl A. Lamers, MdB, Berlin<br />
Min.-Dir. Wolfgang Fröhlich, Stuttgart Prof. Roland Sauerbrey, Jena<br />
Prof. Peter Hommelhoff, Heidelberg Dr. h.c. Klaus Tschira, Heidelberg<br />
Dipl.-Ing. Reiner Klett, München Ranga Yogeshwar, Köln<br />
Mitarbeiter:<br />
Gegenwärtig sind 205 Mitarbeiter (einschließlich der Drittmittelbeschäftigten) am <strong>Institut</strong> tätig,<br />
darunter 40 Wissenschaftler; dazu kommen 53 Nachwuchs- und Gastwissenschaftler.<br />
Anschrift: MPI <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong>, Königstuhl 17, D-69117 Heidelberg<br />
Telefon: 0049-6221-528-0, Fax: 0049-6221-528-246<br />
E-mail: sekretariat@mpia.de<br />
Internet: http://www.mpia.de<br />
Calar-Alto-Observatorium<br />
Anschrift: Centro Astronómico Hispano Alemán,<br />
Calle Jesús Durbán 2/2, E-04004 Almería, Spanien<br />
Telefon: 0034 50-230 988, -632 500, Fax: 0034 50-632 504<br />
E-mail: „name“@caha.de<br />
Arbeitsgruppe Laborastrophysik, Jena<br />
Anschrift: <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Festkörperphysik der Friedrich-Schiller-Universität<br />
Helmholtzweg 3, D-07743 Jena<br />
Telefon: 0049-3641-9-47354, Fax: 0049-3641-9-47308<br />
E-mail: friedrich.huisken@uni-jena.de<br />
Impressum<br />
© 2004 <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong>, Heidelberg<br />
Herausgeber: Dr. Jakob Staude, Prof. Thomas Henning<br />
Text: Dr. Thomas Bührke u. a., Bilder: <strong>MPIA</strong> u. a.<br />
Graphik, Bildbearbeitung, Layout: Dipl.-Phys. Axel M. Quetz, Graphikabteilung<br />
Druck: Koelblin-Fortuna-Druck GmbH & Co. KG, Baden-Baden<br />
ISSN 1437-2924; Internet: ISSN 1617-0490
Inhalt<br />
Vorwort ...................................................................... 5<br />
I. Allgemeines ............................................................ 6<br />
I.1 Das <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong> ............. 6<br />
I.2 Wissenschaftliche Zielsetzung ............................. 8<br />
Entstehung von Sternen und Planeten ....................... 8<br />
Galaxien und Kosmologie ......................................... 9<br />
Bodengebundene <strong>Astronomie</strong> .................................... 10<br />
Infrarot-Weltraumastronomie .................................... 11<br />
1.3 Nationale und internationale Zusammenarbeit ..... 14<br />
1.4 Lehre und Öffentlichkeitsarbeit ........................... 16<br />
II. Highlights ............................................................... 17<br />
II.1 Sternentstehung in den Starburst-Haufen<br />
Arches und NGC 3603 .......................................... 17<br />
II.2 KH 15D – ein ungewöhnlich junger<br />
Doppelstern ........................................................... 23<br />
II.3 Eine neue Methode zur Beobachtung<br />
protoplanetarer Scheiben ....................................... 27<br />
II.4 MIDI – Infrarot-Interferometrie an großen<br />
Teleskopen ............................................................. 31<br />
II.5 GEMS – Eine Studie zur Galaxienentwicklung ..... 40<br />
II.6 Ursprung und Entwicklung massereicher<br />
Galaxien ................................................................ 45<br />
III. Wissenschaftliche Arbeiten ................................. 48<br />
III.1 Massereiche Sterne – Entstehung und<br />
Frühstadien ............................................................ 48<br />
Die Frühstadien der Entwicklung .............................. 50<br />
III.2 Laborastrophysik – ein neues<br />
Forschungsfeld des <strong>MPIA</strong> ..................................... 57<br />
Einleitung ................................................................... 57<br />
Absorptionsspektroskopie von neutralen und<br />
ionisierten PAKs im Düsenstrahl ........................... 59<br />
Spektroskopie von Molekülen in ultrakalten<br />
Heliumtröpfchen .................................................... 64<br />
Charakterisierung der Leuchteigenschaften von<br />
kristallinen Silizium-Nanoteilchen ........................ 67<br />
III.3 Die geheimnisvollen Zentren der Galaxien ....... 72<br />
Warum sind Galaxienzentren interessant? ................. 72<br />
Haben alle Galaxienzentren spezielle<br />
Eigenschaften? ...................................................... 73<br />
Welche Galaxieparameter können die Masse des<br />
zentralen Schwarzen Lochs vorhersagen? ............ 74<br />
Der zentrale Parsec-Bereich Aktiver Galaxien .......... 75<br />
Wann lagern Schwarze Löcher aktiv Materie an? ...... 76<br />
Was kommt als Nächstes? ......................................... 77<br />
III.4 Der Sloan Digital Sky Survey ........................... 78<br />
Kannibalismus in der Milchstraße und in<br />
der Andromeda-Galaxie ........................................ 78<br />
Die Ausdehnung des Sagittarius-Stroms:<br />
Die Form des Dunkelmaterie-Halos der<br />
Milchstraße ............................................................ 80<br />
Eine neue stellare Struktur im Halo der<br />
Andromeda-Galaxie .............................................. 81<br />
Die Verteilung der stellaren Masse und der<br />
kühlen Baryonen im lokalen Universum .............. 82<br />
IV. Instrumentelle Entwicklungen .............................. 86<br />
IV.1 Die Infrarotkamera OMEGA 2000 ...................... 86<br />
IV.2 Die Weitfeldkamera LAICA ................................ 92<br />
IV.3 Der Wellenfrontsensor PYRAMIR ....................... 93<br />
IV.4 LUCIFER: Eine vielseitige Infrarotkamera<br />
<strong>für</strong> das LBT ........................................................... 94<br />
IV.5 LINC-NIRVANA – das Interferometer <strong>für</strong><br />
das LBT ................................................................. 95<br />
IV.6 CHEOPS – ein Instrument zur Abbildung<br />
extrasolarer Planeten ............................................. 97<br />
IV.7 SDI – eine Optik zur simultanen, differentiellen<br />
Abbildung Jupiter-ähnlicher Gasplaneten ............. 99<br />
IV.8 PACS – Ferninfrarot-Kamera und<br />
-Spektrometer <strong>für</strong> den Satelliten HERSCHEL ....... 100<br />
IV.9 MIRI und NIRSPEC – Instrumente <strong>für</strong> das<br />
James Webb Space Telescope ............................. 102<br />
Menschen und Ereignisse ....................................... 104<br />
Gedenkfeier <strong>für</strong> Hans Elsässer ................................ 104<br />
Auf der Suche nach der zweiten Erde –<br />
DARWIN/TPF-Tagung in Heidelberg ................... 108<br />
MIDI-Tagung auf Schloss Ringberg ......................... 110<br />
Dagmar Schipanski – Hoher Besuch am <strong>Institut</strong> .... 112<br />
Wolfgang-Paul-Preisträger Roberto Ragazzoni<br />
und die Zukunft der Adaptiven Optik ................. 113<br />
Als Azubi auf dem Königstuhl ................................ 115<br />
Girlʼs Day am <strong>Institut</strong> .............................................. 117<br />
Personal ................................................................... 119<br />
Arbeitsgruppen ........................................................ 120<br />
Zusammenarbeit mit Firmen .................................... 121<br />
Lehrveranstaltungen ...................................................... 123<br />
Tagungen, Vorträge ......................................................... 123<br />
Weitere Aktivitäten am <strong>Institut</strong> .................................... 127<br />
Mitarbeit in Gremien ...................................................... 127<br />
Preise ................................................................................ 128<br />
Veröffentlichungen ........................................................... 128
Vorwort<br />
Mit diesem <strong>Jahresbericht</strong> <strong>für</strong> <strong>2003</strong> möchten wir einen Überblick über die Forschungsarbeiten<br />
am Heidelberger <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong> geben; er<br />
wendet sich sowohl an unsere Fachkollegen in aller Welt als auch an die interessierte<br />
Öffentlichkeit. Besonders freut es uns dabei, dass die Arbeit unseres <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<br />
<strong>Institut</strong>s seit dem letzten Jahr durch ein neugegründetes Kuratorium begleitet wird.<br />
Schlaglichtartig werden wir auf besonders interessante wissenschaftliche<br />
Resultate eingehen. Dabei zeigt sich, welches Entdeckungspotential die beiden am<br />
<strong>Institut</strong> betriebenen Felder der Stern- und Planetenentstehung sowie der Kosmologie<br />
und Galaxienentwicklung in sich bergen. Nicht zuletzt tragen hierzu neue Instrumente<br />
bei, die am <strong>Institut</strong> gebaut wurden oder zu denen wesentliche Beiträge geliefert<br />
werden konnten. Hier seien insbesondere das AO-System NACO sowie das<br />
Interferometrie-Instrument MIDI genannt, die an den Teleskopen der Europäischen<br />
Südsternwarte zum Einsatz kommen, sowie die neue Infrarotweitwinkelkamera<br />
OMEGA 2000 <strong>für</strong> das Observatorium auf dem Calar Alto. Der Aufbau des Large<br />
Binocular Telescope auf dem Mt. Graham in Arizona, an dem das <strong>Institut</strong> beteiligt<br />
ist, geht mit großer Intensität voran; gleiches gilt <strong>für</strong> die Instrumentierung,<br />
die wir <strong>für</strong> dieses Teleskop planen und bauen. Ähnlich erfreulich entwickeln sich<br />
die Arbeiten an PACS, dem Instrument <strong>für</strong> das Weltraumteleskop HERSCHEL und<br />
an den Instrumenten <strong>für</strong> das James Webb Space Telescope, den Nachfolger des<br />
Weltraumteleskops HUBBLE.<br />
Neben den kürzeren Darstellungen aktueller Forschungsergebnisse berichten wir<br />
ausführlicher über größere Forschungsschwerpunkte des <strong>Institut</strong>s. Wir werden diese<br />
umfassenden Berichte in den kommenden Jahren fortsetzen, so dass sich nach mehreren<br />
<strong>Jahresbericht</strong>en ein Gesamtbild des Forschungsprofils unseres <strong>Institut</strong>es ergibt.<br />
Mit unseren <strong>Jahresbericht</strong>en wollen wir aber auch wichtige Ereignisse, die am<br />
<strong>Institut</strong> stattgefunden haben, beleuchten. Gleichzeitig lassen wir Gastwissenschaftler<br />
und Mitarbeiter unseres <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong>s zu Wort kommen, um ein lebendiges<br />
Bild von der Arbeitsatmosphäre am <strong>Institut</strong> zu zeichnen. Statistische Daten sollen<br />
einen Einblick in die Struktur des <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong>s <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong> sowie seine<br />
Publikationstätigkeit ermöglichen.<br />
Wir wünschen den Lesern des <strong>Jahresbericht</strong>s neue Einblicke in die an unserem<br />
<strong>Institut</strong> durchgeführte astronomische Forschung.<br />
Heidelberg, im Mai 2004<br />
Thomas Henning, Hans-Walter Rix<br />
5
6<br />
I Allgemeines<br />
I.1 Das <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong><br />
Das <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong> (Abb. I.1)<br />
wurde 1967 gegründet und ist der Erforschung des<br />
Weltalls im optischen und infraroten Spektralbereich gewidmet.<br />
Zentrale, am <strong>MPIA</strong> bearbeitete Fragestellungen<br />
betreffen die Entstehung und Entwicklung von Sternen<br />
und Galaxien. Neben der Konzeption, Durchführung,<br />
Auswertung und Interpretation von Beobachtungsprogrammen<br />
widmet sich das <strong>MPIA</strong>, meist im Rahmen<br />
großer internationaler Kollaborationen, der Entwicklung<br />
von Teleskopen und Beobachtungsinstrumenten.<br />
Mit der Gründung des <strong>Institut</strong>s begannen Planung<br />
und Aufbau des Deutsch-Spanischen Astronomischen<br />
Zentrums (DSAZ), kurz Calar-Alto-Observatorium<br />
(Abb.I.2) auf dem 2168 Meter hohen Berg Calar Alto<br />
in der Provinz Almeria, Südspanien. Dort arbeiten drei<br />
Teleskope mit 1.2, 2.2 und 3.5 Metern Öffnung. Das<br />
Observatorium wurde bis Ende <strong>2003</strong> als Außenstelle<br />
des <strong>MPIA</strong> mit spanischer Beteiligung betrieben. Ab dem<br />
1. Januar 2004 soll das Observatorium paritätisch mit<br />
dem spanischen Consejo Superior de Investigaciones<br />
Científicas betrieben werden. Das 3.5-m-Teleskop wurde<br />
im Berichtsjahr mit Hochleistungsinstrumenten zur<br />
großflächigen Himmelsdurchmusterung im optischen<br />
und infraroten Spektralbereich ausgerüstet (Kap. IV.1<br />
und IV.2). Zudem überlässt das <strong>MPIA</strong> der Europäischen<br />
Südsternwarte (ESO) während etwa 75 Prozent der<br />
Beobachtungszeit ein 2.2-Meter-Teleskop als Leihgabe.<br />
Es befindet sich auf dem Berg La Silla in Chile.<br />
Abb. I.1: Das <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong> auf dem<br />
Königstuhl in Heidelberg.
Abb. I.2: Das Calar-Alto-Observatorium.<br />
Die am <strong>Institut</strong> entwickelten und gebauten Instrumente<br />
werden sowohl <strong>für</strong> erdgebundene als auch <strong>für</strong><br />
weltraumgestützte Beobachtungen eingesetzt. Beide<br />
Beobachtungsarten ergänzen sich heute in idealer Weise.<br />
Die erdgebundenen Teleskope haben meist größere<br />
Primärspiegel und damit eine größere Lichtsammelleistung<br />
als Weltraumteleskope. Bei Einsatz moderner<br />
Techniken wie Adaptiver Optik und Interferometrie, an<br />
deren Entwicklung das <strong>MPIA</strong> an vorderster Front arbeitet,<br />
erzielen sie auch eine höhere räumliche Auflösung.<br />
Weltraumteleskope sind unerlässlich bei Beobachtungen<br />
in Wellenlängenbereichen, in denen die Erdatmosphäre<br />
die einfallende Strahlung absorbiert oder einen störenden<br />
Hintergrund erzeugt, wie dies in weiten Teilen des<br />
infraroten Spektralbereiches der Fall ist.<br />
An der Entwicklung der Infrarotastronomie hat das<br />
<strong>MPIA</strong> seit deren Pionierzeit in den siebziger Jahren<br />
erfolgreich teilgenommen. So war es kürzlich am weltweit<br />
ersten Infrarot-Weltraumobservatorium ISO der<br />
Europäischen Weltraumbehörde ESA maßgeblich beteiligt:<br />
ISOPHOT, eines von vier Messinstrumenten auf<br />
I.1 Das <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong> 7<br />
ISO, entstand unter der Federführung des <strong>Institut</strong>s. ISO<br />
lieferte von 1996 bis 1998 hervorragende Daten, insbesondere<br />
in dem bis dahin nicht zugänglichen Bereich<br />
des fernen Infrarot. Das hierbei gewonnene Know-how<br />
setzen die Wissenschaftler am <strong>Institut</strong> auch bei jetzt<br />
in der Vorbereitung befindlichen Projekten, wie den<br />
Weltraumteleskopen HERSCHEL und James Webb Space<br />
Telescope (JWST) ein.<br />
Heute ist das <strong>Institut</strong> an einer Reihe internationaler<br />
Kollaborationen zum Bau neuer Großteleskope und<br />
wissenschaftlicher Instrumente beteiligt. Damit hat es<br />
Zugang zu den bedeutendsten Observatorien der Erde.<br />
Auf der Südhalbkugel ist dies das Very Large Telescope<br />
(VLT) der ESO in Chile mit seinen vier 8-Meter-<br />
Teleskopen, die sich zu einer leistungsstarken interferometrischen<br />
Anordnung zusammenschließen lassen. Auf<br />
der Nordhalbkugel ist das <strong>MPIA</strong> am Large Binocular<br />
Telescope (LBT) in Arizona beteiligt, das 2005 den vollständigen<br />
Betrieb aufnehmen wird. Dann wird dieses außergewöhnliche<br />
Teleskop über zwei 8.4-Meter-Spiegel<br />
auf einer gemeinsamen Montierung verfügen und damit<br />
das weltweit größte Einzelteleskop sein. Diese beiden<br />
Kooperationen versetzen die Astronomen des <strong>MPIA</strong> in<br />
die Lage, den Nord- und Südhimmel mit erstklassigen<br />
Teleskopen zu erforschen.
8 I Allgemeines<br />
I.2 Wissenschaftliche Zielsetzungen<br />
Zwei Schwerpunkte haben sich in der wissenschaftlichen<br />
Forschung am <strong>Institut</strong> herauskristallisiert: einerseits<br />
die Entstehung von Sternen und Planeten, andererseits<br />
die beobachtende Kosmologie, insbesondere die Frage<br />
nach der Entstehung und Entwicklung von Galaxien.<br />
Wenngleich diese beiden Bereiche in Bezug auf die<br />
Gegenstände der Forschung voneinander getrennt sind,<br />
gibt es doch viele Berührungspunkte. So ist beispielsweise<br />
die Sternentstehung im jungen Universum eng<br />
mit der Entstehung und Entwicklung der Galaxien<br />
verknüpft. Beobachtungen mit den besten verfügbaren<br />
Instrumenten einerseits und Computersimulationen einer<br />
ebenfalls am <strong>Institut</strong> arbeitenden Theoriegruppe andererseits<br />
bilden die Grundlagen des wissenschaftlichen<br />
Fortschritts.<br />
Entstehung von Sternen und Planeten<br />
Die ersten Phasen der Sternentstehung spielen sich<br />
im Inneren dichter Molekülwolken ab und bleiben aufgrund<br />
der davor befindlichen Staubteilchen im sichtbaren<br />
Licht unseren Blicken verborgen. Infrarotstrahlung<br />
vermag jedoch den Staub zu durchdringen, weswegen<br />
sich die Frühstadien der Sternentstehung in diesem<br />
Wellenlängenbereich bevorzugt studieren lassen. Hier<br />
geben auch die kalte Interstellare Materie und die aus ihr<br />
laufend neu entstehenden Sterne und Planeten den größten<br />
Teil ihrer Strahlung ab. Aus diesem Grunde hat sich<br />
der Schwerpunkt astronomischer Beobachtungen am<br />
<strong>MPIA</strong> in der jüngeren Vergangenheit immer mehr vom<br />
optischen zum infraroten Spektralbereich verlagert.<br />
Mit ISOPHOT sowie mit Submillimeterteleskopen ließen<br />
sich im Inneren großer Staubwolken sehr kalte und<br />
dichte Gebiete nachweisen – protostellare Kerne, die<br />
kurz vor dem Kollaps stehen oder sich bereits zu Sternen<br />
zusammenziehen. In einem späteren Stadium bildet sich<br />
der zentrale (Proto-)Stern. Er ist von einer Scheibe aus<br />
Gas und Staub umgeben, in der Planeten entstehen können,<br />
die den neuen Stern umlaufen. Es ist aber auch möglich,<br />
dass sich ein Doppel- oder Mehrfachsternsystem<br />
bildet. Welche Bedingungen müssen vorliegen, damit<br />
sich der eine oder der andere Vorgang abspielt? Dies ist<br />
eine der Fragen, auf die die Astronomen des <strong>MPIA</strong> eine<br />
Antwort suchen. Hier<strong>für</strong> stehen ihnen beispielsweise<br />
das hochauflösende Kamerasystem NACO (NAOS und<br />
CONICA) und das Interferometer MIDI <strong>für</strong> den mittleren<br />
Infrarotbereich am VLT, sowie das Weltraumteleskop<br />
HUBBLE und das Infrarot-Observatorium SPITZER zur<br />
Verfügung.<br />
Neuerdings hat auch die Untersuchung Brauner<br />
Zwerge an Bedeutung gewonnen. Dies sind »verhinderte«<br />
Sterne, deren Masse zu gering ist, um in ihrem<br />
Zentrum den hohen Druck zu erzeugen, bei dem Wasser-<br />
stoff kontinuierlich zu Helium fusioniert. Von den noch<br />
masseärmeren Planeten unterscheiden sie sich dadurch,<br />
dass in ihrem Inneren anfänglich eine Deuterium-Fusion<br />
stattfindet. Erst 1995 wurde der erste Braune Zwerg<br />
entdeckt, mittlerweile sind etwas mehr als hundert bekannt.<br />
Viele Fragen stellen sich heute: Wie entstehen Braune<br />
Zwerge? Welche Eigenschaften haben sie und wie häufig<br />
sind sie? Sind auch sie, ähnlich wie Sterne, anfänglich<br />
von einer Scheibe aus Gas und Staub umgeben? Zur<br />
Beantwortung dieser Fragen lieferten Wissenschaftler<br />
des <strong>MPIA</strong> jüngst wesentliche Beiträge. So entdeckten<br />
sie vor wenigen Jahren frei fliegende (also nicht durch<br />
die Schwerkraft an einen Zentralstern gebundene) Objekte<br />
mit Massen von einigen Jupitermassen. Diese Entdeckung<br />
warf ein neues Licht auf die Entstehung von<br />
Sternen und Planeten, und sie wirft die Frage nach der<br />
Definition von Sternen, Braunen Zwergen und Planeten<br />
neu auf. Außerdem konnten wesentliche Beiträge zur<br />
»Doppelsternnatur« Brauner Zwerge und zur Existenz<br />
von Scheiben um diese Objekte geliefert werden.<br />
Zunehmend interessant wird die Untersuchung massereicher<br />
Sterne (Kap. III.1). Einerseits sind hier noch<br />
Fragen über deren Entstehung unbeantwortet: Wie unterscheiden<br />
sich ihre Frühphasen von denen massearmer<br />
Sterne? Sind sie ebenfalls von Scheiben umgeben, in<br />
denen Planeten entstehen könnten? Massereiche junge<br />
Sterne sind heiß, geben energiereiche Strahlung ab, und<br />
entwickeln starke Teilchenwinde. Damit beeinflussen sie<br />
die Entstehung anderer Sterne in ihrer Umgebung. Auf<br />
welche Weise dies geschieht, ist eine weitere wichtige<br />
Frage.<br />
Diese Problemstellungen lassen sich am besten in den<br />
nahen Sternentstehungsgebieten unseres Milchstraßensystems<br />
studieren. Die Beobachtung von Sternentstehungsgebieten<br />
in anderen Galaxien bietet die Möglichkeit,<br />
andere Fragen anzugehen. Da sich hier die gesamten<br />
Galaxien gewissermaßen im Überblick darbieten,<br />
lassen sich integrale Eigenschaften der Sternsysteme<br />
ableiten, z. B. kann die jährliche Sternentstehungsrate<br />
in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Galaxien<br />
bestimmt werden. So lässt sich die Rate in unterschiedlichen<br />
Galaxientypen oder in Abhängigkeit von der<br />
Umgebung der jeweiligen Galaxie ermitteln. Auch die<br />
Frage, wie UV-Strahlung und Teilchenwinde das interstellare<br />
Medium und damit die gesamte Morphologie der<br />
Galaxien beeinflussen, ist derzeit aktuell.<br />
Ergänzend zu den Beobachtungen betreibt eine kleine<br />
in Jena ansässige Gruppe als Außenstelle des <strong>Institut</strong>s – in<br />
enger Kollaboration mit Kollegen der dortigen Universität<br />
– Arbeiten zur »Laborastrophysik«. Sie untersucht<br />
die spektroskopischen Eigenschaften von Staubteilchen<br />
mit Größen im Nano- und Mikrometerbereich sowie von
Abb. I.3: Das Very Large Telescope in den chilenischen Anden.<br />
(Bild: ESO)<br />
Molekülen in der Gasphase (Kap. III.2). Die unter kontrollierten<br />
Bedingungen gewonnenen Erkennt-nisse sind<br />
<strong>für</strong> die Interpretation der astronomischen Beobachtungen<br />
von Bedeutung.<br />
Galaxien und Kosmologie<br />
Hier geht es um die grundlegenden Fragen: Wie<br />
kam es zur Bildung der ersten Galaxien? Wie war deren<br />
Sternentstehungsrate im frühen Universum? Sind<br />
Galaxien miteinander verschmolzen, so dass sich ihre<br />
Gesamtzahl im Laufe von Jahrmilliarden verringert hat?<br />
Welchen Einfluss hatte die Dunkle Materie auf diese<br />
Vorgänge? In jüngerer Vergangenheit ist zunehmend die<br />
Rolle massereicher Schwarzer Löcher in den Zentren<br />
I.2 Wissenschaftliche Zielsetzung 9<br />
aktiver Galaxien ins Blickfeld gerückt (Kap. III.3). Um<br />
hier Klarheit zu schaffen, können die Astronomen des<br />
<strong>Institut</strong>s auf die Daten des Sloan Digital Sky Survey<br />
(SDSS) zurückgreifen (Kap. III.4). Heute werden <strong>für</strong><br />
Detailstudien vor allem auch die Instrumente NACO<br />
und MIDI am VLT der ESO genutzt, mit denen sich die<br />
unmittelbare Umgebung der Schwarzen Löcher untersuchen<br />
lässt.<br />
Die Erforschung der Entstehung von Galaxien und<br />
deren Entwicklung im frühen Universum stellt höchste<br />
Ansprüche an die heutigen Beobachtungstechniken.<br />
Einen großen Fortschritt brachten jüngst tiefe Himmelsdurchmusterungen,<br />
wie das unter Leitung des <strong>MPIA</strong><br />
durchgeführte Projekts GEMS (Galaxy Evolution from<br />
Morphology and Spectral Energy Distributions, Kap.<br />
II.5): Es hat zur größten bisher mit dem Weltraumteleskop<br />
HUBBLE gewonnenen Farbaufnahme geführt;<br />
sie dient dazu, die morphologischen Eigenschaften von<br />
rund zehntausend Galaxien zu bestimmen, deren Rotverschiebungswerte<br />
aus dem am <strong>MPIA</strong> durchgeführ-
10 I Allgemeines<br />
ten Durchmusterungsprojekt COMBO-17 bekannt sind.<br />
Erste Ergebnisse aus der Analyse dieses einzigartigen<br />
Materials liegen bereits vor (Kap. II.6): Sie betreffen die<br />
Geschichte der Sternentstehung in den massereichsten<br />
Galaxien und deren Entwicklung während der letzten<br />
sechs Milliarden Jahre.<br />
Bodengebundene <strong>Astronomie</strong> –<br />
Instrumentierung<br />
In den vergangenen Jahren hat das <strong>MPIA</strong> bei der<br />
Entwicklung adaptiv optischer Systeme große Anstrengungen<br />
unternommen. Abgeschlossen ist der Bau der<br />
Adaptiven Optik ALFA am 3.5-m-Teleskop auf dem<br />
Calar Alto. Derzeit werden diese Forschungen mit der<br />
Entwicklung eines Systems der multikonjugierten Adaptiven<br />
Optik weitergeführt. Die hierbei gesammelten<br />
Erfahrungen werden bereits in der Entwicklung neuer<br />
Instrumente am VLT und am LBT umgesetzt. Im Labor<br />
<strong>für</strong> Adaptive Optik am <strong>Institut</strong> wurde ein Versuchsaufbau<br />
<strong>für</strong> den neuartigen Wellenfrontsensor PYRAMIR<br />
vorangetrieben (vgl. Kap. IV.3).<br />
Die Beteiligung des <strong>Institut</strong>s am Very Large Telescope<br />
der ESO auf dem Paranal (Abb. I.3) ist von herausragender<br />
Bedeutung. Im Jahr 2001 ging die hochauflösende<br />
Infrarotkamera CONICA, die zusammen mit der Adaptiven<br />
Optik NAOS das System NACO bildet, erfolgreich<br />
in Betrieb. Ende 2002 folgte das »erste Licht« <strong>für</strong> MIDI<br />
(Kap. II.4). Es ist das erste interferometrische Instrument<br />
Abb. I.4: Das Large Binocular Telescope<br />
am VLT und wird im mittleren Infrarot eingesetzt. Mit<br />
diesem Instrument konnten im Jahr <strong>2003</strong> erstmals interferometrische<br />
Beobachtungen im mittleren Infrarot mit<br />
einer Auflösung von einigen hundertstel Bogensekunden<br />
durchgeführt werden.<br />
Für den Einsatz in Verbindung mit den Instrumenten<br />
NACO und SINFONI am VLT, die beide mit einer eigenen<br />
Adaptiven Optik ausgestattet sind, geht der Bau einer gemeinsamen<br />
Natrium-Laserleitsternanlage (Laser Guide<br />
Star Facility, LGSF) in die entscheidende Phase. Das<br />
Herz der LGSF ist PARSEC, ein Hochleistungslaser, der<br />
bei einer Wellenlänge von 589 nm die Natriumschicht<br />
in der hohen Erdmesosphäre zum Leuchten anregt und<br />
damit die Adaptiven Optiken mit einem hinreichend<br />
hellen künstlichen Leitstern versorgt. Das vom <strong>MPIA</strong><br />
gebaute Diagnosegerät LIDAR befindet sich seit Juni<br />
<strong>2003</strong> in Garching. Die letzten Tests vor dem Transport<br />
zum Paranal haben im April 2004 stattgefunden. Im Juli<br />
2004 soll die gesamte LGSF, bestehend aus PARSEC,<br />
einem speziellen Lichtleiter und dem Projektionsteleskop,<br />
ebenfalls in Garching getestet werden. Die erste<br />
Integration mit SINFONI auf dem Paranal soll gegen<br />
Ende 2004 stattfinden.<br />
Am <strong>MPIA</strong> arbeitet man bereits an der Entwicklung<br />
der VLT-Instrumente der zweiten Generation. Das <strong>Institut</strong><br />
hat die Leitung eines Konsortiums aus zwölf <strong>Institut</strong>en<br />
in Deutschland, Italien, der Schweiz, den Niederlanden<br />
und Portugal, das die Entwicklung des Instruments<br />
PLANET FINDER vorantreibt. PLANET FINDER soll ein<br />
adaptiv optisches System sein, mit dem sich extrasolare<br />
Planeten direkt nachweisen und spektroskopisch untersuchen<br />
lassen. Das Projekt CHEOPS (Kap. IV.6) gehört<br />
zu diesem Komplex.
Zusammen mit der University of Arizona sowie<br />
italienischen und anderen deutschen <strong>Institut</strong>en ist das<br />
<strong>MPIA</strong> Partner in einem internationalem Konsortium<br />
zum Bau des Large Binocular Telescope (LBT, Abb.<br />
I.4). Dieses Großteleskop besitzt zwei Spiegel mit einem<br />
Durchmesser von jeweils 8.4 Metern, die von einer gemeinsamen<br />
Montierung getragen werden. Beide Spiegel<br />
verfügen zusammen über eine Lichtsammelkraft, die jener<br />
eines einzelnen 11.8-Meter-Spiegels gleich kommt.<br />
Damit wird das LBT das weltweit leistungsstärkste<br />
Einzelteleskop sein. Die einzigartige Konstruktion des<br />
Doppelspiegels eignet sich zudem hervorragend <strong>für</strong> interferometrische<br />
Beobachtungen. Im interferometrischen<br />
Betrieb entspricht das räumliche Auflösungsvermögen des<br />
LBT dem eines Spiegels mit 22.8 Metern Durchmesser.<br />
Erstes Licht mit nur einem Hauptspiegel ist <strong>für</strong> Herbst<br />
2004 geplant, ein Jahr später soll das gesamte Teleskop<br />
in Betrieb gehen.<br />
Die deutschen Partner bauen unter der Leitung der<br />
Heidelberger Landessternwarte <strong>für</strong> das LBT den Nahinfrarot-Spektrographen<br />
LUCIFER (Kap. IV.4). Das <strong>MPIA</strong><br />
liefert hier<strong>für</strong> das gesamte Detektorpaket und entwickelt<br />
das Gesamtkonzept der Kühlung. Auch die<br />
Integration und die Tests des Instruments werden in<br />
den Laboratorien des <strong>Institut</strong>s erfolgen. Gleichzeitig<br />
laufen die Planungen <strong>für</strong> das LBT-Interferometer LINC-<br />
NIRVANA, das mit Adaptiver Optik ausgestattet sein wird,<br />
auf Hochtouren. Das <strong>MPIA</strong> konzipiert hier<strong>für</strong> die Optik<br />
der Strahlzusammenführung LINC (Kap. IV.5). Letztlich<br />
soll Interferometrie über einen Wellenlängenbereich<br />
von 0.6 µm bis 2.2 µm möglich sein. Für dieses Projekt<br />
wurde ein Konsortium mit Kollegen des MPI <strong>für</strong><br />
Radioastronomie in Bonn, der Universität Köln und des<br />
Osservatorio Astrofisico di Arcetri bei Florenz gebildet.<br />
I.2 Wissenschaftliche Zielsetzung 11<br />
Abb. I.5: Mögliche Konstruktion des JWST, mit dem großen<br />
Hauptspiegel und dem charakteristischen Sonnenschutz.<br />
Infrarot-Weltraumastronomie –<br />
Instrumentierung<br />
Heute ist das <strong>MPIA</strong> noch wesentlich an dem Projekt<br />
ISO der Europäischen Weltraumbehörde ESA beteiligt:<br />
ISOPHOT, eines von vier Messinstrumenten auf ISO,<br />
entstand unter der Federführung des <strong>Institut</strong>s. Mittlerweile<br />
sind zahlreiche auf Messungen mit ISO basierende<br />
Arbeiten aus allen Bereichen der <strong>Astronomie</strong> erschienen,<br />
welche die Leistungsfähigkeit dieses Weltraumteleskops<br />
dokumentieren. Am <strong>MPIA</strong> wird das ISOPHOT-<br />
Datenzentrum geführt, wo zunächst die Programme und<br />
Kalibrationsverfahren <strong>für</strong> die automatische Datenanalyse<br />
entwickelt wurden. Die ISO-Datenbasis soll zum Bestandteil<br />
eines weltweit zugänglichen »Virtuellen Observatoriums«<br />
<strong>für</strong> alle Wellenlängenbereiche ausgebaut<br />
werden.<br />
Die mit ISOPHOT gewonnenen Erfahrungen waren<br />
ausschlaggebend <strong>für</strong> die Beteiligung des <strong>MPIA</strong> am Bau<br />
der Infrarotkamera (mit Spektrometer) PACS (Kap. IV.8).<br />
Dieses Instrument wird an Bord des europäischen Infrarotobservatoriums<br />
HERSCHEL arbeiten, eines Weltraumteleskops<br />
mit 3.5 Metern Öffnung, dessen Start <strong>für</strong> das<br />
Jahr 2007 vorgesehen ist.<br />
Das <strong>Institut</strong> ist auch am Nachfolger des Weltraumteleskops<br />
HUBBLE, dem James Webb Space Telescope<br />
(JWST), beteiligt (Abb. I.5). Das JWST wird einen ausklappbaren<br />
Hauptspiegel mit etwa sechs Metern Durchmesser<br />
sowie drei Fokalinstrumente erhalten. Im Rahmen<br />
eines europäischen Konsortiums entwickelt das <strong>MPIA</strong>
12 I Allgemeines<br />
die Kryo-Mechanismen zur Positionierung der optischen<br />
Komponenten in einem der drei Fokalinstrumente, genannt<br />
MIRI (Kap. IV.9). Dieses Gerät besteht aus einer<br />
hochauflösenden Kamera und einem Spektrometer mittlerer<br />
Auflösung. Es ist <strong>für</strong> den mittleren Infrarotbereich<br />
von 5 µm bis 28 µm Wellenlänge ausgelegt. MIRI soll<br />
je zur Hälfte von amerikanischen und europäischen <strong>Institut</strong>en<br />
gebaut werden.<br />
Gleichzeitig ist das <strong>MPIA</strong> an der Entwicklung von<br />
NIRSPEC, dem zweiten Fokalinstrument des JWST, einem<br />
Multiobjekt-Spektrographen <strong>für</strong> das nahe Infrarot,<br />
beteiligt (Kap. IV.9). Auch hier soll das <strong>Institut</strong> kryogene<br />
Mechaniken beisteuern. Ein solcher Beitrag würde den<br />
Astronomen des <strong>MPIA</strong> weitere hervorragende Beobachtungsmöglichkeiten<br />
mit hoher Auflösung im Infraroten<br />
bieten. Auf beide Aufgaben, MIRI und NIRSPEC, ist das<br />
<strong>Institut</strong> durch die erfolgreichen Entwicklungen von<br />
ISOPHOT und PACS gut vorbereitet.<br />
Abb. I.6: Mögliches Konzept des Weltrauminterferometers<br />
DARWIN mit acht frei fliegenden Einzelteleskopen.<br />
Seit 1998 vertritt das <strong>MPIA</strong> Deutschland in der DAR-<br />
WIN Science Advisory Group. DARWIN (Abbildung<br />
I.6) ist ein Weltrauminterferometer der Europäischen<br />
Weltraumbehörde ESA, das nach 2015 starten soll.<br />
Nach der derzeitigen Planung wird es aus bis zu acht<br />
Teleskopen bestehen, die im Lagrange-Punkt L2, in 1.5<br />
Millionen Kilometer Abstand von der Erde, die Sonne<br />
umkreisen. Mit diesem Observatorium will man im mittleren<br />
Infrarot extrasolare Planeten abbilden und spektroskopisch<br />
analysieren. Derzeit beteiligt sich das <strong>Institut</strong><br />
an vorbereitenden Technologiestudien.<br />
Auch an dem Weltraumprojekt GAIA der ESA wirkt<br />
das <strong>MPIA</strong> mit. GAIA ist ein Observatorium, das zwischen<br />
2010 und 2012 starten soll. Es wird der Nachfolger<br />
des Astrometriesatelliten HIPPARCOS sein, jedoch<br />
mit einer um mehrere Größenordnungen höheren Empfindlichkeit.<br />
So soll GAIA die Positionen, Helligkeiten<br />
und Radialgeschwindigkeiten von einer Milliarde Sterne<br />
plus zahlreichen Galaxien, Quasaren und Asteroiden<br />
bestimmen. Das Teleskop liefert photometrische Daten<br />
in 15 Filterbereichen sowie Spektren in einem ausgewählten<br />
Spektralbereich. Anders als HIPPARCOS wird
Abb. I.7: Die wichtigsten Instrumente des <strong>Institut</strong>s. Dargestellt<br />
ist die räumliche Auflösung in Abhängigkeit vom Bildfeld.<br />
GAIA jedoch keinen Inputkatalog erhalten. Daher wird in<br />
der Datenauswertung zur automatischen Klassifikation<br />
der Himmelskörper eine große Bedeutung zukommen.<br />
Am <strong>MPIA</strong> beschäftigt man sich derzeit mit diesem<br />
Problem.<br />
Einen Überblick über die wichtigsten bereits arbeitenden<br />
und demnächst anlaufenden Instrumente vermittelt<br />
Abb. I.7. Sie zeigt oben die Empfindlichkeit in<br />
Abhängigkeit von der Wellenlänge und unten die räumliche<br />
Auflösung in Abhängigkeit von der Bildfeldgröße.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
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<br />
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<br />
<br />
I.2 Wissenschaftliche Zielsetzung 13
14 I Allgemeines<br />
I.3 Nationale und internationale Zusammenarbeit<br />
Das <strong>Institut</strong> verdankt seinem Standort in Heidelberg<br />
die Möglichkeit, in einem astronomisch besonders aktiven<br />
Umfeld zu wirken. Die Zusammenarbeit mit<br />
der Landessternwarte, dem Astronomischen Rechen-<br />
<strong>Institut</strong>, dem <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Theoretische Astrophysik der<br />
Universität oder der Abteilung Kosmophysik des MPI<br />
<strong>für</strong> Kernphysik hat sich immer wieder in vielfältiger<br />
Weise ergeben. Dies gilt derzeit vor allem <strong>für</strong> den DFG-<br />
Sonderforschungsbereich Nr. 439, »Galaxien im jungen<br />
Universum«, an dem alle genannten Heidelberger<br />
<strong>Institut</strong>e beteiligt sind.<br />
Es kommt auch immer wieder zu Kollaborationen<br />
mit den <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong>en <strong>für</strong> extraterrestrische<br />
Physik in Garching und <strong>für</strong> Radioastronomie in Bonn,<br />
sowie mit zahlreichen deutschen Landes- und Universitätsinstituten.<br />
Einen Überblick vermittelt Abb. I.8.<br />
Auch der Aufbau eines Deutschen Zentrums <strong>für</strong> Interferometrie<br />
(Frontiers of Interferometry in Germany,<br />
FRINGE) mit Sitz am <strong>MPIA</strong> unterstreicht die führende<br />
Rolle des <strong>Institut</strong>s innerhalb Deutschlands bei dieser<br />
zukunftsweisenden astronomischen Technik. Ziel ist<br />
es, die Anstrengungen deutscher <strong>Institut</strong>e und der Industrie<br />
auf diesem Gebiet zu koordinieren. FRINGE<br />
soll Geräte und Software zusammenführen, welche<br />
die beteiligten <strong>Institut</strong>e bauen. Ein weiteres konkretes<br />
Ziel besteht in der Vorbereitung der nächsten Ge-<br />
neration interferometrischer Instrumente. Dazu zählen<br />
die Erweiterung des Instrumentes MIDI (Kap. II.4) bis<br />
20 µm Wellenlänge und der Entwurf von APRÈS-MIDI<br />
– einem Ausbau von MIDI zu einem vier Teleskope<br />
einschließenden, abbildenden Interferometer; weiterhin<br />
sind hier zu nennen: die Beteiligung an der Festlegung<br />
neuer Abbildungsfähigkeiten des VLT-Interferometers<br />
und eine Beteiligung an der Vorbereitung der<br />
Weltraummission DARWIN. FRINGE war zusammen mit<br />
anderen Interferometriezentren in Europa an der Gründung<br />
der European Interferometry Initiative beteiligt.<br />
Langfristiges Ziel ist die Einrichtung eines europäischen<br />
Interferometriezentrums <strong>für</strong> den optischen und infraroten<br />
Spektralbereich. An FRINGE sind das Astrophysikalische<br />
<strong>Institut</strong> Potsdam, das Astrophysikalische <strong>Institut</strong> der<br />
Universität Jena, das Kiepenheuer-<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Sonnenphysik<br />
in Freiburg, das MPI <strong>für</strong> extraterrestrische Physik<br />
in Garching, das MPI <strong>für</strong> Radioastronomie in Bonn, die<br />
Universität Hamburg und das I. Physikalische <strong>Institut</strong><br />
der Universität Köln beteiligt.<br />
Das <strong>MPIA</strong> ist an einer Reihe von EU-Netzwerken<br />
und weltweiten Kollaborationen beteiligt, teilweise in<br />
leitender Funktion. Hierzu zählen:<br />
OPTICON: ein von der Europäischen Union finanziertes<br />
Netz aller Betreiber größerer Teleskope in Europa mit<br />
dem Ziel, die wissenschaftlich-technische Infrastruktur<br />
<br />
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<br />
<br />
Abb. I.8: Verteilung der Partnerinstitute des <strong>MPIA</strong> in Deutschland.<br />
optimal zu nutzen und so die wissenschaftliche Ausbeute<br />
zu erhöhen und Kosten zu sparen.<br />
Im Rahmen von OPTICON beteiligt sich das Calar-<br />
Alto-Observatorium mit dem 2.2- und dem 3.5-m-Teleskop<br />
am Programm COMET, das insgesamt 20 europäische<br />
Teleskope umfasst. Beobachtergruppen aus allen<br />
Ländern der EU und aus assoziierten Ländern, denen<br />
vom Programmkomitee des DSAZ Beobachtungszeit an<br />
den Teleskopen zugeteilt wurde, erhalten freien Zugang<br />
sowie wissenschaftliche und technische Unterstützung<br />
bei der Durchführung ihrer Beobachtungen. OPTICON<br />
gewährt da<strong>für</strong> dem DSAZ einen finanziellen Ausgleich.<br />
Ebenfalls mit Förderung von OPTICON und der<br />
European Interferometry Initiative (EII), wird am<br />
<strong>MPIA</strong> die oben bereits erwähnte Studie zu APRÈS-MIDI<br />
durchgeführt. Weiterhin werden Software-Arbeiten zur<br />
Bildrekonstruktion <strong>für</strong> LINC-NIRVANA (Kap. IV.5) unterstützt.<br />
Schließlich fördert OPTICON eine so genannte Joint<br />
Research Activity (JRA) des <strong>MPIA</strong> mit dem Osservatorio<br />
Astrofisico di Arcetri und der Universität Durham.<br />
Innerhalb des JRA wird ein Protopyp eines »Multiple
Field of View«-Wellenfrontsensors gebaut – einer besonderen<br />
Art der »Multi-konjugierten Adaptiven Optik«.<br />
Dabei geht es um die Lösung von Problemen, die bei<br />
der adaptiv-optischen Bildfeldkorrektur <strong>für</strong> die extrem<br />
großen Teleskope der nächsten Generation auftreten.<br />
(Kap. V.5)<br />
An der DFG-Forschungsgruppe »Laborastrophysik«<br />
ist das <strong>MPIA</strong> zusammen mit den Universitäten Braunschweig,<br />
Chemnitz, Dresden, Jena und Leiden beteiligt.<br />
Damit nimmt das <strong>Institut</strong> eine neue Arbeitsrichtung auf,<br />
die in der neu eingerichteten Außenstelle in Jena verfolgt<br />
wird. (Kap. III.2.)<br />
PLANETS: ein »Research Training Network« der EU,<br />
in dem die theoretischen und empirischen Aspekte der<br />
Entstehung und Entwicklung von protoplanetaren Scheiben<br />
und Planeten untersucht werden.<br />
SPITZER Legacy Program: SPITZER, das Infrarotteleskop<br />
der NASA (vormals SIRTF), begann am 25. August<br />
<strong>2003</strong> seine <strong>für</strong> die Dauer von zweieinhalb Jahren geplante<br />
Mission. Im Rahmen eines so genannten Legacy Program<br />
erhalten Kollaborationen die Möglichkeit, groß<br />
angelegte Beobachtungsprogramme durchzuführen. Das<br />
<strong>MPIA</strong> beteiligt sich an einem solchen, bereits genehmigten<br />
Programm zur Untersuchung der Entwicklung von<br />
Scheiben bis hin zu Planeten.<br />
SISCO (Spectroscopic and Imaging Surveys for<br />
Cosmology): Dieses EU-Netzwerk ist der Untersuchung<br />
der Galaxienentwicklung mit Hilfe von Himmelsdurchmusterungen<br />
gewidmet. Auch hier hat das <strong>Institut</strong> mit<br />
CADIS, COMBO-17 und GEMS (Kap. II.5) bereits erheblich<br />
beigetragen. Weiterhin sind beteiligt: University of<br />
I.3 Nationale und internationale Zusammenarbeit 15<br />
Abb. I.9: Verteilung der internationalen Partnerinstitute des<br />
<strong>MPIA</strong>.<br />
Durham, <strong>Institut</strong>e for Astronomy, Edinburgh, Universität<br />
Oxford, Universität Groningen, Osservatorio Astronomico<br />
Capodimonte, Neapel und ESO, Garching<br />
GIF (German-Israeli Foundation): In diesem Rahmen<br />
wird ein Programm zur Untersuchung von Gravitationslinsen<br />
durchgeführt. Partner des <strong>MPIA</strong> ist die Universität<br />
Tel Aviv.<br />
The Sloan Digital Sky Survey (SDSS): Auf interna-<br />
tionaler Ebene hat die Beteiligung an diesem Projekt eine<br />
große Bedeutung (vgl. Kap. III.4). Es handelt sich um<br />
die bislang umfangreichste Himmelsdurchmusterung,<br />
bei der etwa ein Viertel des gesamten Himmels in fünf<br />
Farbfiltern aufgenommen wird. Der endgültige Katalog<br />
wird Positionen, Helligkeiten und Farben von schätzungsweise<br />
hundert Millionen Himmelskörpern sowie<br />
die Rotverschiebungen von etwa einer Million Galaxien<br />
und Quasare enthalten. Die Beobachtungen werden mit<br />
einem eigens <strong>für</strong> diesen Zweck gebauten 2.5-Meter-<br />
Teleskop am Apache Point Observatory in New Mexico<br />
ausgeführt. Das Projekt wird von einem internationalen<br />
Konsortium amerikanischer, japanischer und deutscher<br />
<strong>Institut</strong>e durchgeführt. In Deutschland sind das <strong>MPIA</strong><br />
und das MPI <strong>für</strong> Astrophysik in Garching beteiligt.<br />
Für die Sach- und Geldbeiträge des <strong>MPIA</strong> zum SDSS<br />
erhalten einige Mitarbeiter des <strong>Institut</strong>s die vollen Datenrechte.
16 I Allgemeines<br />
I.4 Lehre und Öffentlichkeitsarbeit<br />
Diplomanden und Doktoranden aus der ganzen Welt<br />
kommen zur Durchführung ihrer Examensarbeiten ans<br />
<strong>Institut</strong>. Ein wesentlicher Teil des wissenschaftlichen<br />
Nachwuchses absolviert sein Studium an der Uni-versität<br />
Heidelberg; deshalb nehmen eine Reihe von Wissenschaftlern<br />
des <strong>MPIA</strong> Lehrverpflichtungen an der<br />
Universität wahr. Am <strong>Institut</strong> wird im Rahmen des Fortgeschrittenenpraktikums<br />
<strong>für</strong> Heidelberger Physik- und<br />
<strong>Astronomie</strong>studenten ein Versuch zur Adaptiven Optik<br />
angeboten: Innerhalb von vier Nachmittagen können<br />
die Studenten einen Analysator zur Untersuchung der<br />
Verformung von Lichtwellen aufbauen und optische<br />
Aberrationen wie Koma und Astigmatismus bestimmen.<br />
Der Versuch findet im Labor <strong>für</strong> Adaptive Optik am<br />
<strong>MPIA</strong> statt. In einem weiteren Versuch geht es um die<br />
Funktionsweise der CCD-Kamera.<br />
Abb. I.9: Physikalisches Praktikum am <strong>MPIA</strong>. Links und rechts:<br />
Stefan Hippler und Sebastian Egner (die Betreuer), in der Mitte<br />
Felix Hormuth (der Student).<br />
Zu den Aufgaben des <strong>Institut</strong>s gehört auch die Information<br />
einer breiteren Öffentlichkeit über die Ergebnisse<br />
der astronomischen Forschung. So halten Wissenschaftler<br />
des <strong>Institut</strong>s Vorträge in Schulen, Volks-hochschulen<br />
und Planetarien und treten insbesondere anlässlich<br />
in der Öffentlichkeit stark beachteter astronomischer<br />
Ereignisse auf Pressekonferenzen oder in Radio- und<br />
Fernsehsendungen auf. Zahlreiche Besuchergruppen<br />
kommen zum <strong>MPIA</strong> auf dem Königstuhl und zum Calar-<br />
Alto-Observatorium. Regelmäßig im Herbst findet in<br />
Zusammenarbeit mit der Landessternwarte eine bei Physik-<br />
und Mathematiklehrern in Baden-Württemberg sehr<br />
beliebte einwöchige Lehrerfortbildung statt.<br />
Schließlich wird am <strong>MPIA</strong> die 1962 von Hans Elsässer,<br />
dem Gründungsdirektor des <strong>MPIA</strong>, mitbegründete,<br />
monatlich erscheinende Zeitschrift »Sterne und Weltraum«<br />
herausgegeben. Die Zeitschrift wendet sich an<br />
das allgemeine Publikum und bietet sowohl den Fachastronomen<br />
als auch der großen Gemeinde der Amateurastronomen<br />
ein lebhaftes Forum.
II Highlights<br />
II.1 Sternentstehung in den Starburst-Haufen Arches und NGC 3603<br />
In unserer Galaxis sind zahlreiche Sternentstehungsgebiete<br />
bekannt, die sich in Alter und Größe erheblich<br />
voneinander unterscheiden. Der erst 1995 entdeckte<br />
Arches-Sternhaufen in der Nähe des Galaktischen<br />
Zentrums nimmt eine besondere Stellung ein. Er zählt<br />
zusammen mit zwei anderen bekannten Haufen zu<br />
den extrem massereichen Starburst-Haufen. In diesen<br />
Sternhaufen entstehen innerhalb kurzer Zeit auf engem<br />
Raum mehrere tausend Sterne. Der Arches-Haufen eignet<br />
sich ausgezeichnet dazu, die Entstehungsrate sehr<br />
massereicher Sterne zu studieren. Die am <strong>Institut</strong> mit<br />
entwickelte hoch auflösende Infrarotkamera CONICA<br />
(ein Teil des Systems NACO) am Very Large Telescope<br />
der ESO ermöglichte es erstmals, den zentralen Teil<br />
des Haufens mit etwa 150 heißen O-Sternen räumlich<br />
aufzulösen. NACO lieferte hier bessere Daten als das<br />
Weltraumteleskop HUBBLE. Ein Vergleich mit dem jungen<br />
Sternhaufen NGC 3603 im Carina-Spiralarm brachte<br />
neue Erkenntnisse über die Sternentstehung in massereichen<br />
Haufen.<br />
Sternentstehungsregionen haben ganz unterschiedliche<br />
Erscheinungsformen. So gibt es sehr weit ausgedehnte<br />
Assoziationen mit geringer Sterndichte, wie den<br />
Taurus-Auriga-Komplex, oder sternenreiche, kompakte<br />
Haufen wie im Orion, wo in einem kleinen Volumen<br />
mehr als 2000 Sterne entstanden sind. Extrem massereiche<br />
Sternentstehungsgebiete findet man vor allem<br />
in wechselwirkenden Galaxien wie den beiden<br />
Antennen-Galaxien. Dort betragen die Massen der jungen<br />
Sternhaufen bis zu einer Million Sonnenmassen.<br />
Grundsatzproblem: anfängliche Massenverteilung<br />
Viele Fragen sind in Bezug auf diese Sternentstehungsgebiete<br />
noch offen. Eine der fundamentalen Größen,<br />
die ein Sternentstehungsgebiet charakterisieren, ist die<br />
sogenannte anfängliche Massenfunktion (Initial Mass<br />
Function, IMF). Sie gibt den Anteil von Sternen in einem<br />
jeweiligen Massenintervall bei der Entstehung eines<br />
Haufens an. Ist diese IMF überall im Universum gleich,<br />
oder hängt sie von physikalischen Größen, wie der chemischen<br />
Zusammensetzung der interstellaren Materie<br />
oder der Masse des jungen Haufens ab? Nach Untersuchungen,<br />
die bis zu den Arbeiten von E. Salpeter in den<br />
1950er Jahre zurückreichen, lässt sich die IMF univer-<br />
sell mit einem Potenzgesetz mit einer Steigung von etwa<br />
–1.3 beschreiben. Das heißt, die Anzahl der Sterne mit<br />
Masse M nimmt proportional zu M –1.3 ab.<br />
Gleichzeitig ist aber bekannt, dass sich um so massereichere<br />
Sterne bilden, je massereicher auch die interstellare<br />
Wolke ist, in welcher der Sternhaufen entsteht.<br />
Außerdem nimmt man an, dass sich die massereichsten<br />
Sterne nur in den dichtesten Gebieten der Wolke bilden.<br />
Ein solcher Überschuss an massereichen Sternen kann<br />
sich in einer besonders flachen Massenfunktion (mit<br />
geringer Steigung) äußern.<br />
Neben diesen Unterschieden in den Anfangsbedingungen<br />
durchläuft ein Sternhaufen bereits in früher Zeit<br />
eine dynamische Entwicklung. So wird vermutet, dass<br />
die massereichen Sterne stets im Zentrum eines Haufens<br />
stehen – zum einen, weil dort auch die Dichte der Wolke<br />
ursprünglich am höchsten ist und ihre Entstehung begünstigt,<br />
und zum anderen, weil die massereichen Sterne<br />
aufgrund der Schwerkraft zum Zentrum »absinken«.<br />
Dies hätte zur Folge, dass ein großer Sternhaufen ein<br />
Zentralgebiet mit überproportional vielen massereichen<br />
Sternen besitzt, das von einem mehr oder weniger stark<br />
ausgebildeten Halo aus masseärmeren Sternen umgeben<br />
ist. Diese masseärmeren Sterne würden dann durch<br />
äußere gravitative Einflüsse, wie das Schwerefeld der<br />
Galaxie, eher aus dem Haufen gedrängt als die massereicheren<br />
Sterne.<br />
Diese Vorgänge erschweren es, die IMF in einem<br />
Sternhaufen zu bestimmen. Hinzu kommen noch beobachtungstechnische<br />
Probleme: So sind grundsätzlich die<br />
beiden »Enden« der IMF meist nur schlecht definiert. Auf<br />
der einen Seite hat man das Problem, die lichtschwachen<br />
Objekte vollständig nachzuweisen. Auf der anderen<br />
Seite verhindert die geringe Lebensdauer der massereichen<br />
Sterne oft eine komplette Bestandsaufnahme: Die<br />
massereichsten Sterne explodieren bereits nach einigen<br />
Millionen Jahren als Supernovae.<br />
Die IMF lässt sich somit am ehesten in sehr jungen<br />
und möglichst nahen Sternhaufen bestimmen. Diese stellen<br />
den Beobachter wiederum vor ein anderes Problem:<br />
Die Mitglieder sind im Allgemeinen noch im Inneren der<br />
Dunkelwolke versteckt, in der sie entstanden sind. Daher<br />
lassen sich diese Haufen oft nur im Infraroten beobachten,<br />
wo der Staub das Licht weniger stark abschwächt<br />
als im Sichtbaren.<br />
17
18 II Highlights<br />
Galaktisches<br />
Zentrum<br />
a<br />
b<br />
Abb. II. 1: a) Aufnahme des Gebietes um das Galaktische Zentrum<br />
im Nahen Infrarot (Bildfeld ca. 20 Bogenminuten mal<br />
7 Bogenminuten) mit dem Arches-Haufen (Bild: 2MASS);<br />
b) Arches, aufgenommen mit NACO am VLT. Das Bild ist<br />
zusammengesetzt aus Aufnahmen bei 1.65 µm und 2.2 µm<br />
Wellenlänge.<br />
Die IMF ist eine zentrale Größe des Phänomens der<br />
Sternentstehung. Sie dient auch als Instrument, um die<br />
Sternentstehungsrate im frühen Universum zu ermitteln.<br />
In sehr weit entfernten Galaxien lassen sich nämlich<br />
die Sternentstehungsgebiete nicht mehr räumlich auflösen.<br />
Vielmehr schätzt man die Sternentstehungsrate<br />
aus dem Spektrum oder den Intensitäten in einzelnen<br />
Wellenlängenbereichen, gemittelt über die gesamte<br />
Galaxie, ab. Hier<strong>für</strong> verwendet man die in der Milchstraße<br />
oder in Nachbargalaxien ermittelte IMF.<br />
Der Arches-Haufen im Galaktischen Zentrum<br />
In der Milchstraße sind nur drei Haufen bekannt, die<br />
man aufgrund ihrer Sterndichte zu den Starburst-Haufen<br />
zählt: die nahe am Galaktischen Zentrum befindlichen<br />
Haufen Arches (Abb. II.1) und Quintuplett sowie NGC<br />
3603 im Carina-Spiralarm (Abb. II.2).<br />
Der Arches-Haufen ist in mancherlei Hinsicht spektakulär.<br />
Er steht nur etwa 25 Parsec (ca. 80 Lichtjahre)<br />
vom Galaktischen Zentrum entfernt, so dass auf ihn<br />
sehr starke Gezeitenkräfte einwirken. Darüber hinaus<br />
ist dieser Bereich der Galaxis offenbar sehr turbulent.<br />
Im Radiobereich hat man in der Nähe des Haufens ein<br />
großes bogenförmiges Gasfilament (Englisch : arc) entdeckt,<br />
nach dem der Haufen benannt wurde. Da der<br />
Arches-Haufen erst etwa zwei bis drei Millionen Jahre<br />
alt ist, existiert in seinem Zentralbereich noch eine ca.<br />
150 Mitglieder umfassende Population massereicher O-<br />
Sterne sowie etwa zwölf Wolf-Rayet-Sterne (massereiche<br />
Sterne mit starkem Massenverlust). Die Sterndichte<br />
wird im Zentralbereich auf 10 000 Sonnenmassen pro<br />
Kubiklichtjahr geschätzt, und mit einer Gesamtmasse<br />
von über 10 000 Sonnenmassen liegt Arches bereits am<br />
unteren Ende der Massenskala der Kugelsternhaufen.<br />
Die Nähe zum Galaktischen Zentrum hat <strong>für</strong> den<br />
Arches-Haufen fatale Folgen. Computermodellen zufolge<br />
wird er innerhalb von etwa 20 Millionen Jahren<br />
dynamisch zerrissen. Der mit einem Alter von etwa vier<br />
Millionen Jahren knapp doppelt so alte Quintuplett-<br />
Haufen zeigt bereits deutliche Spuren dieser Auflösung.<br />
Diese Starburst-Haufen sind derzeit die einzigen bekannten<br />
Orte in der Milchstraße, an denen man eine<br />
stellare Population gemeinsamen Ursprungs über den<br />
gesamten Massenbereich, von den heißesten und massereichsten<br />
Sternen bis hin zu den Braunen Zwergen,<br />
studieren kann.
a<br />
b<br />
II.1 Sternentstehung in den Starburst-Haufen Arches und NGC 3603 19<br />
Abb. II. 2: a) Der Starburst-Haufen NGC 3603 mit dem zentralen<br />
Haufen HD 97950, aufgenommen mit ISAAC am VLT der ESO<br />
bei 1.24 µm, 1.65 µm und 2.17 µm Wellenlänge. Die Seitenlänge<br />
des Bildes von 3.4 Bogenminuten entspricht etwa 7 Parsec (20<br />
Lichtjahren); b) HD 97950, die dichteste Region in NGC 3603.<br />
Allerdings stellt der Arches-Haufen <strong>für</strong> die Beobachter<br />
eine echte Herausforderung dar. Im optischen Spektralbereich<br />
ist er nämlich nicht zu beobachten, weil<br />
dichte Staubwolken das sichtbare Licht um 24 bis<br />
34 Größenklassen abschwächen. Das entspricht einer<br />
Abschwächung der Intensität um 10 bis 14 Größenordnungen.<br />
Nur im Infraroten lässt sich dieser Haufen detailliert<br />
untersuchen. Da das Zentralgebiet extrem dicht<br />
besiedelt ist, benötigt man hier<strong>für</strong> allerdings eine sehr<br />
hohe räumliche Auflösung. Dies ist ein ideales Einsatzgebiet<br />
<strong>für</strong> das adaptive Optiksystem NACO am VLT.
20 II Highlights<br />
NACO ist eine Kombination aus der Kamera CONICA<br />
<strong>für</strong> das nahe Infrarot, die auch spektroskopisch und polarimetrisch<br />
arbeiten kann, mit dem adaptiv optischen<br />
System NAOS. CONICA entstand unter Federführung des<br />
<strong>MPIA</strong> (in Zusammenarbeit mit dem MPE in Garching)<br />
im institutseigenen Labor in Heidelberg, NAOS wurde von<br />
Kollegen aus Frankreich beigesteuert. NAOS ging Ende<br />
2001 am Teleskop YEPUN in Betrieb und liefert seitdem<br />
Aufnahmen, deren Auflösung nur durch die Beugung am<br />
des 8-m-Teleskop begrenzt ist (s. <strong>Jahresbericht</strong> 2001, S.<br />
13).<br />
Astronomen des <strong>Institut</strong>s beobachteten Arches im<br />
Frühjahr 2002 mit CONICA bei den Wellenlängen 1.65<br />
µm (H-Band) und 2.2 µm (K-Band); die komplizierten<br />
Daten wurden im Jahr <strong>2003</strong> ausgewertet. Das Seeing<br />
war während einiger Aufnahmen nicht optimal, so dass<br />
NACO nicht seine maximal mögliche Leistungsfähigkeit<br />
erreichte. Dennoch war das Ergebnis äußerst beeindruckend.<br />
In beiden Filterbereichen betrug die räumliche<br />
Auflösung 0.085 Bogensekunden. Mit Belichtungszeiten<br />
von 14 Minuten im H- und 7 Minuten im K-Band wurden<br />
Grenzgrößen von 22 mag und 21 mag erreicht.<br />
Abb. II.3: Vergleich der Farben-Helligkeits-Diagramme: Links<br />
mit der adaptiv optischen Kamera HOKUPA'A am GEMINI-<br />
Teleskop, Hawaii, Mitte mit NICMOS an Bord des HST und<br />
rechts mit NACO am VLT<br />
K s [mag]<br />
10<br />
12<br />
14<br />
16<br />
18<br />
20<br />
22<br />
Damit übertraf NACO das Weltraumteleskop HUBBLE,<br />
mit dessen Infrarotkamera NICMOS Arches im selben<br />
Wellenlängenbereich beobachtet worden war. Die höhere<br />
räumliche Auflösung von NACO am VLT erlaubte den<br />
Nachweis von um eine Größenklasse schwächeren Sternen<br />
(Faktor 2.5 in der Intensität) als das mit NICMOS<br />
möglich war. Zudem wurde erstmals der Zentralbereich<br />
des Haufens in Einzelsterne aufgelöst. Mit NACO ließen<br />
sich rund 50 % mehr nahe beieinander stehende Sterne<br />
identifizieren als mit NICMOS. Auch ein Vergleich der<br />
Farben-Helligkeits-Diagramme (Abb. II.3) zeigt den mit<br />
NACO erzielten Fortschritt: Die Hauptreihe ist wesentlich<br />
besser definiert als mit NICMOS. Ebenfalls gezeigt<br />
sind Beobachtungsdaten, die mit der adaptiv optischen<br />
Kamera HOKUPA'A am GEMINI-Teleskop auf Hawaii<br />
gewonnen wurden. Die Folgen der niedrigen Auflösung<br />
früherer adaptiver Optiksysteme wie HOKUPA'A äußern<br />
sich in einer schlecht definierten Hauptreihe, deren Fehler<br />
auch in die abgeleitete Massenfunktion eingehen.<br />
Für die Umrechnung der beobachteten Farben und<br />
Helligkeiten in Sternmassen wurden theoretische Entwicklungsmodelle<br />
<strong>für</strong> ein Haufenalter von zwei Millionen<br />
Jahren eingesetzt. Für die Entfernung des Haufens wurde<br />
der <strong>für</strong> das Galaktische Zentrum geltende Wert von 8000<br />
pc (26 000 Lj) angenommen. Zudem war es nötig, aus<br />
den Farben die Extinktion zu ermitteln. Hierbei erwies<br />
es sich, dass im Zentralteil des Arches-Haufens in einem<br />
GEMINI/Hokupa’a<br />
Arches<br />
HST/NICMOS VLT/ NAOS– CONICA<br />
0 2<br />
H – K s [mag]<br />
4<br />
424 Objekte 771 Objekte 1339 Objekte<br />
0 2<br />
H – K s [mag]<br />
4<br />
Arches Haupsequenz<br />
Wulst<br />
0 2<br />
H – K s [mag]<br />
4<br />
66 M <br />
46 M <br />
20 M <br />
8 M <br />
3 M <br />
1.3 M
sphärischen Bereich mit einem Radius von 0.2 Parsec<br />
(0.65 Lichtjahren) die Extinktion verhältnismäßig gering<br />
ist. Weiter außen nimmt die Extinktion bis zu 0.8 Parsec<br />
(2.6 Lichtjahren) Radius um zehn Größenklassen<br />
zu. Offenbar wirkt sich bereits die stellare Aktivität der<br />
heißen Sterne aus, die mit ihren intensiven Winden eine<br />
Blase frei gefegt haben.<br />
Aus diesen Daten ließ sich die IMF <strong>für</strong> die inneren 0.8<br />
Parsec des Arches-Haufens bis herunter zu zwei Sonnenmassen<br />
ermitteln. Allerdings tritt bei den masseärmeren<br />
Sternen das Problem auf, dass diese zum einen lichtschwach<br />
sind und sich zum anderen vornehmlich in den<br />
Außenbezirken aufhalten. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit,<br />
dass sie mit Vordergrundsternen verwechselt<br />
werden. Daher beschränkten sich die Astronomen des<br />
<strong>Institut</strong>s darauf, die IMF <strong>für</strong> Sterne im Bereich von 4 bis<br />
65 Sonnenmassen zu bestimmen.<br />
Der Bereich von 10 bis zu 65 Sonnenmassen ließ<br />
sich sehr gut mit einem Potenzgesetz der Steigung<br />
–0.9 beschreiben. Dieser Wert ist etwas geringer als<br />
der Durchschnittswert in der Galaxis. Konzentriert man<br />
sich auf den zentralen Bereich mit einem Radius von 5<br />
Bogensekunden, so wird die Steigung mit –0.6 noch geringer,<br />
was auf einen überdurchschnittlich hohen Anteil<br />
massereicher Sterne hindeutet (Abb. II.4). Unterhalb<br />
von 10 Sonnenmassen zeigt die Massenfunktion ein sehr<br />
ungewöhnliches Verhalten, da ihre Steigung praktisch<br />
auf Null abfällt. Dies bedeutet, dass im Bereich einiger<br />
Sonnenmassen gegenüber normalen Regionen in<br />
der Milchstraße, wo die Massenfunktion zu niedrigen<br />
Massenwerten steil ansteigt, sehr viele Sterne fehlen.<br />
Ein solcher Mangel massearmer zugunsten massereicher<br />
Sterne wurde zuvor in extragalaktischen Gebieten<br />
intensiver Sternentstehung vermutet, jedoch bisher nicht<br />
direkt beobachtet.<br />
Dies lässt sich in zwei Richtungen deuten. Entweder<br />
sind in Arches prozentual mehr massereiche Sterne entstanden<br />
als in anderen galaktischen Sternhaufen, was<br />
N<br />
100<br />
10<br />
1<br />
R < 5 G NACO = – 0.6 0.22<br />
0 0.5 1 1.5 2<br />
lg (M /M )<br />
Abb. II. 4: Massenfunktion <strong>für</strong> den Zentralbereich des Arches-<br />
Haufens, gewonnen mit NACO.<br />
ACO<br />
II.1 Sternentstehung in den Starburst-Haufen Arches und NGC 3603. 21<br />
die Theorie bestätigen würde, wonach sehr massereiche<br />
Sterne bevorzugt in großen Haufen entstehen. Denkbar<br />
ist aber auch, dass die massereichen Sterne bereits in<br />
größerem Maße zum Zentrum hingewandert sind, wo die<br />
Beobachtung vorgenommen wurde.<br />
NGC 3603 im Carina-Spiralarm<br />
Um einen möglichen Einfluss des nahen Galaktischen<br />
Zentrums auf die Sternentstehung in Arches zu erforschen,<br />
beobachteten Astronomen des <strong>Institut</strong>s NGC<br />
3603, den einzigen bekannten Starbust-Haufen außerhalb<br />
des galaktischen Zentralbereichs. Dieses 6000 Parsec<br />
(19 000 Lichtjahre) entfernte Sternentstehungsgebiet befindet<br />
sich in einer vergleichsweise ruhigen Region,<br />
dem Carina-Spiralarm. Der Carina-Arm geht in den<br />
Sagittarius-Arm über, so dass beide zusammen mit<br />
40 000 Parsec (125 000 Lichtjahren) den längsten bekannten<br />
Spiralarm der Galaxis bilden. Er windet sich<br />
zu 2/3 eines Vollkreises um das Galaktische Zentrum<br />
herum.<br />
NGC 3603 ist im Unterschied zu Arches kaum von<br />
Staub verdeckt: Die visuelle Extinktion liegt zwischen 4<br />
mag und 5 mag. Dies ist der Grund, weshalb die Sterne<br />
im Bereich des sichtbaren Lichts leicht beobachtbar sind<br />
und John Herschel den Haufen bereits 1834 entdeckte.<br />
Mit einer gesamten stellaren Leuchtkraft von etwa zehn<br />
Millionen Sonnenleuchtkräften übertrifft er den Orion-<br />
Haufen um das Hundertfache.<br />
Im Zentrum von NGC 3603 befindet sich der massereiche<br />
Haufen HD 97950, in dem drei Wolf-Rayet-<br />
Sterne und etwa 36 O-Sterne bekannt sind. Die Wolf-<br />
Rayet-Sterne haben in einem Umkreis von 0.6 Parsec (2<br />
Lichtjahren) den Staub weggefegt, so dass der Haufen gut<br />
sichtbar ist. Seine Zentraldichte wird wie beim Arches-<br />
Haufen auf 10 000 Sonnenmassen pro Kubiklichtjahr,<br />
seine Gesamtmasse auf 7000 Sonnenmassen geschätzt.<br />
Für den Vergleich von HD 97950 mit Arches dienten<br />
Aufnahmen aus dem Jahre 1999, gewonnen mit dem<br />
Instrument ISAAC am VLT bei einem exzellenten Seeing<br />
von 0.4 Bogensekunden (Abb. II.2). Dieser Datensatz ermöglichte<br />
die derzeit am tiefsten reichende Photometrie<br />
von HD 97950. Die Daten belegen, dass der Sternhaufen<br />
mit einem Alter von 0.3 bis 1 Million Jahren noch jünger<br />
ist als Arches.<br />
Auch <strong>für</strong> HD 97950 wurde auf dieselbe Weise<br />
wie <strong>für</strong> Arches die Massenfunktion bestimmt. Für das<br />
Zentralgebiet mit 0.8 Parsec (2.5 Lichtjahren) Radius<br />
ergab sich in dem Bereich von 0.4 bis 20 Sonnenmassen<br />
eine Exponentialfunktion, die mit einer Steigung von<br />
–0.9 mit der von Arches praktisch identisch ist. Aufgrund<br />
der sehr hohen Empfindlichkeit von ISAAC waren die<br />
massereichsten Sterne im Haufenzentrum überbelichtet,<br />
so dass das obere Ende der Massenfunktion nicht verglichen<br />
werden kann. Vorläufige Beobachtungsdaten deu-
22 II Highlights<br />
ten jedoch an, dass im innersten Bereich mit 0.2 Parsec<br />
Radius die Massenfunktion mit einer Steigung von –0.3<br />
nahezu vollständig abflacht. Hier zeigt sich also ein ähnlicher<br />
Trend zu einer Häufung massereicher Sterne wie<br />
im galaktischen Zentralgebiet. Am massearmen Ende<br />
setzt sich die Massenfunktion jedoch unverändert fort, so<br />
dass ein Mangel an Sternen niedriger Masse hier höchstens<br />
im Zentrum aufzutreten scheint. Dies unterstreicht<br />
die Außergewöhnlichkeit der Massenfunktion in Arches,<br />
die <strong>für</strong> die Interpretation von Sternentstehungsgebieten<br />
in Galaxienkernen im nahen und fernen Universum von<br />
Bedeutung sein könnte.<br />
Wahrscheinlich bildeten sich bereits zu Beginn<br />
mehr massereiche Sterne im Zentralteil, weil dort die<br />
Materiedichte am höchsten war. Im weiteren Verlauf<br />
der Entwicklung strebten dann zusätzlich die großen<br />
Sterne in den Kernbereich des Haufens. Die theoretisch<br />
abgeschätzte dynamische Zeitskala von zwei Millionen<br />
Jahren legt dieses Szenario nahe.<br />
Unklar ist in beiden Fällen, wie stark Vordergrundsterne<br />
in den Außenbereichen der Haufen, wo man die<br />
masseärmeren Sterne findet, die Massenfunktion verfälschen.<br />
Zukünftige Beobachtungen sollen diese Frage<br />
klären helfen. Hier<strong>für</strong> wäre es nötig, hoch auflösende<br />
Spektren im nahen Infraroten zu bekommen.<br />
Sterne, die aus dem Haufen herausfliegen, sollten höhere<br />
Radialgeschwindigkeiten besitzen als gebundene<br />
Haufenmitglieder oder auch als Vordergrundsterne.<br />
Zukünftige Instrumente wie CRIRES an VLT könnten<br />
diese Daten liefern. Außerdem ließen sich mit einer<br />
genauen Analyse der Spektraltypen Vordergrundsterne<br />
identifizieren. Hier<strong>für</strong> wäre das Instrument SINFONI/<br />
SPIFFI, ebenfalls am VLT, geeignet.<br />
(A. Stolte, W. Brandner, E.K. Grebel, R. Lenzen<br />
Beteiligte <strong>Institut</strong>e: Space Telescope Science <strong>Institut</strong>e,<br />
Baltimore, <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> extraterrestrische<br />
Physik, Garching)
II.2 KH 15D – ein ungewöhnlicher junger Doppelstern<br />
Bei einer photometrischen Durchmusterung des jungen<br />
Offenen Sternhaufens NGC 2264 wurde 1995 ein stark<br />
variables Objekt entdeckt, das die Bezeichnung KH<br />
15D erhielt. Seine Periode beträgt 48 Tage; es befindet<br />
sich während fast der Hälfte dieser Zeit in einem tiefen<br />
Minimum. Detaillierte Beobachtungen zeigen, dass es<br />
sich um ein junges Objekt handelt, möglicherweise um<br />
ein relativ enges Doppelsternsystem mit bipolarem Jet,<br />
das von einer zirkumbinären Staubscheibe verdeckt<br />
wird. Zur Zeit schaut nur ein Stern immer wieder aus<br />
der Scheibe hervor. KH 15D bietet eine einzigartige<br />
Möglichkeit, Struktur und Entwicklung des zirkumstellaren<br />
Materials innerhalb verhältnismäßig kurzer Zeit<br />
und mit hoher räumlicher Auflösung zu studieren. Im<br />
Berichtsjahr setzten Astronomen aus aller Welt ihre<br />
Beobachtungsdaten wie zu einem Puzzle zusammen,<br />
um ein konsistentes Bild des Objekts zu erhalten.<br />
Daran hatten Astronomen des <strong>MPIA</strong> einen bedeutenden<br />
Anteil.<br />
Der Offene Sternhaufen NGC 2264 (Abb. II.5) ist<br />
760 pc (2500 Lj) entfernt und 2 bis 4 Millionen Jahre<br />
alt. In diesem Haufen befindet sich der Konus-Nebel,<br />
dessen Aufnahme mit dem Weltraumteleskop HUBBLE<br />
im Jahr 2002 in den Medien große Aufmerksamkeit<br />
erlangte. Das Objekt KH 15D steht nördlich des Konus-<br />
Nebels und fällt durch seine starke Variabilität mit einer<br />
Periode von 48 Tagen auf: Im <strong>Max</strong>imum erreicht seine<br />
scheinbare Helligkeit etwa 14.5 mag, im Minimum<br />
sinkt sie bis unter 18 mag ab (Abb. II.6 a,b). Das bisher<br />
Einzigartige an diesem Minimum ist seine extrem lange<br />
Dauer in Verbindung mit der langen Periode. Es ist kein<br />
anderer periodisch variabler Stern bekannt, der solch<br />
eine Kombination aus Periode und Bedeckungsphase<br />
aufweist.<br />
Es wurde den an den Untersuchungen beteiligten<br />
Astronomen schnell klar, dass ein lichtschwacher Stern<br />
oder Planet als verdunkelndes Objekt nicht in Frage<br />
kommt. Ein solcher Körper würde auf einer Keplerbahn<br />
mit 48 Tagen Umlaufdauer den Stern höchstens einen<br />
halben Tag lang verdecken. Für die Abschattung kommt<br />
nur ein ausgedehntes Gebilde, etwa eine Staubscheibe,<br />
in Frage. Ungewöhnlich ist auch das Verhalten des<br />
Sterns während des Minimums. So stieg seine Helligkeit<br />
während einiger Minimumsphasen überraschenderweise<br />
kurzzeitig an und überstieg in manchen Fällen sogar das<br />
normale Niveau im <strong>Max</strong>imum. Das letztere Verhalten<br />
war bis vor kurzem überhaupt nicht zu erklären.<br />
Im Farben-Helligkeits-Diagramm befindet sich KH<br />
15D nicht auf der Hauptreihe. Sternentwicklungsrechnungen<br />
ergeben <strong>für</strong> den Stern ein Alter von 2 bis 10 Millionen<br />
Jahre, was im Rahmen der Ungenauigkeit mit dem Alter<br />
des Haufens NGC 2264 übereinstimmt. Nach diesen<br />
Rechnungen und spektroskopischen Beobachtungen<br />
handelt es sich um einen Vorhauptreihen- oder T-Tauri-<br />
Stern. Er zeigt relativ schwache Emissionslinien, wie sie<br />
<strong>für</strong> etwas ältere T-Tauri-Sterne nicht untypisch ist.<br />
Das geringe Alter von KH 15D weckte die Hoffnung,<br />
dass man hier möglicherweise Entwicklungsstadien in<br />
zirkumstellarem Staub beobachten kann, die letztlich<br />
zur Bildung eines Planeten führen. Im Rahmen von zwei<br />
internationalen Beobachtungskampagnen, die jeweils<br />
vom Herbst bis Frühjahr 2001/2002 und 2002/<strong>2003</strong><br />
liefen, wurden an einer Vielzahl von Observatorien rund<br />
um die Welt die Helligkeitsschwankungen von KH 15D<br />
photometrisch gemessen. Daran war auch das Calar-<br />
Alto-Observatorium des <strong>MPIA</strong> in Spanien beteiligt.<br />
Auf deutscher Seite arbeiteten weiterhin die Thüringer<br />
Landessternwarte Tautenburg und die Universitäts-<br />
Sternwarte München an dem Projekt mit. Ziel war es,<br />
die Lichtkurve mit möglichst hoher zeitlicher Auflösung<br />
und photometrischer Genauigkeit aufzuzeichnen.<br />
Eine genaue Analyse des umfangreichen Datenmaterials<br />
zeigt, dass Ein- und Austritt der Bedeckungsphase<br />
nicht genau symmetrisch verlaufen. Sie dauern 1.5 bzw.<br />
1.9 Tage. Die Periode lässt sich sehr genau zu 48.345<br />
Tagen bestimmen, wobei der Stern fast 20 Tage lang<br />
bedeckt ist (Abb. II.7). Verblüffend ist das Verhalten des<br />
Systems über mehrere Jahre hinweg: In den acht Jahren<br />
seit seiner Entdeckung hat die Helligkeit im Minimum<br />
linear abgenommen (Abb. II.8), die Totalitätsdauer hat<br />
um etwa einen Tag pro Jahr zugenommen.<br />
Möglicherweise handelt es sich um ein Phänomen, das<br />
erst ein bis zwei Jahrzehnte alt ist. Eine Untersuchung<br />
älterer Aufnahmen aus den Jahren 1913 bis 1951 ließ<br />
keine Variabilität um mehr als eine Größenklasse erkennen:<br />
In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts haben also<br />
gar keine oder nur sehr kurze Verfinsterungsphasen mit<br />
Helligkeitsschwankungen von mehr als einer Größenklasse<br />
stattgefunden. Das Studium von Photoaufnahmen<br />
aus dem Archiv des Observatoriums Asiago aus den<br />
Jahren 1967 bis 1982 brachte weitere Klärung über<br />
das photometrische Verhalten von KH 15D. Es zeigte<br />
sich, dass der Stern in dieser Zeit bereits mit gleichen<br />
Periode wie heute (48 Tage) variabel war, allerdings mit<br />
einer Amplitude von nur 0.7 Größenklassen. Darüber<br />
hinaus war er im <strong>Max</strong>imum 0.9 Größenklassen heller<br />
als heute.<br />
Weitere Hinweise auf die Natur des abschattenden<br />
Materials erbrachten photometrische Messungen<br />
in unterschiedlichen Farbbereichen. Wie Abb. 9 zeigt,<br />
wird das Licht während der Totalität nicht gerötet.<br />
Hieraus lässt sich schließen, dass die absorbierenden<br />
Staubteilchen verhältnismäßig groß (erheblich größer als<br />
23
24 II Highlights<br />
die Wellenlänge des Lichts) sein müssen. Es ist denkbar,<br />
dass sich in der Scheibe bereits makroskopisch große<br />
Körper gebildet haben. Während des Minimums zeigt<br />
sich lediglich eine geringfügige Blaufärbung um etwa<br />
0.1 mag. Diese könnte von kleinsten Staubteilchen in<br />
geringen Mengen stammen, die das Sternlicht streuen.<br />
Zwar sind die Messwerte im Minimum ungenauer als<br />
außerhalb davon, es scheint aber während dieser Phase<br />
innerhalb von einer Stunde echte Helligkeitsvariationen<br />
um bis zu 20 % zu geben. Deren Ursache ist unklar,<br />
aber vermutlich wird in diesen Phasen Licht an kleinen<br />
Wolken gestreut, oder es scheint durch Lücken in der<br />
Abb. II. 5: Der Sternhaufen NGC 2264 mit dem Konus-Nebel<br />
unterhalb der Mitte. (Bild: Takahashi)
a<br />
b<br />
KH 15D<br />
Abb. II.6: Gebiet in NGC 2264 mit KH 15D a) im <strong>Max</strong>imum und<br />
b) im Minimum. (Bild: W. Herbst)<br />
Scheibe hindurch. Diese Wolken oder Lücken können<br />
nicht größer als 0.01 AE sein, sofern sie sich auf<br />
Keplerbahnen um den Stern bewegen. Das entspricht<br />
etwa dem Sonnendurchmesser.<br />
Über den Stern erfuhren die Astronomen weitere interessante<br />
Details mit Hilfe spektroskopischer Beobachtungen<br />
mit dem Echelle-Spektrographen UVES am Very<br />
Large Telescope der ESO. So zeigt die Emissionslinie<br />
Hα von Wasserstoff ein Doppelprofil mit einer zentralen<br />
Absorption, wobei die Linienflanken Radialgeschwin<br />
digkeitswerte bis ±300 km/s erreichten. Dies lässt sich<br />
damit erklären, dass der Stern Gas aus der Umgebung<br />
aufsammelt (akkretiert). Je nach Bedeckungsphase zeigen<br />
die beobachteten Profile der Hα-Linie ganz unterschiedliche<br />
Strukturen. Aus dieser zeitlichen Variabilität<br />
I [mag]<br />
14<br />
15<br />
16<br />
17<br />
18<br />
19<br />
– 0.4 – 0.2 0.0 0.2 0.4<br />
Phase, Periode = 48.345 Tage<br />
Abb. II.7: Die Lichtkurve der Beobachtungskampagne 2002/03.<br />
Die Periode beträgt 48.345 Tage.<br />
I [mag]<br />
V – I [mag] V – R [mag]<br />
14<br />
15<br />
16<br />
17<br />
18<br />
19<br />
0.5<br />
1.0<br />
1.5<br />
2.0<br />
II.2 KH15D – ein ungewöhnlicher junger Doppelstern 25<br />
95/96 96/97 97/98 98/99 99/00 00/01 01/02 02/03<br />
0 500 1000 1500 2000 2500<br />
Julianisches Datum – 2450000 [d]<br />
Abb. II.8: Die Lichtkurven seit 1995 zeigen, wie die Schwächung<br />
des Sternlichts im Minimum linear zugenommen hat.<br />
– 0.4 – 0.2 0.0 0.2 0.4<br />
Phase (Periode = 48.345 Tage)<br />
Abb. II.9: Farbverhalten von KH 15D außerhalb und während der<br />
Bedeckung (um Phase 0.0). Im Minimum erscheint der Stern<br />
etwas bläulicher.
26 II Highlights<br />
der Linienprofile lässt sich im Prinzip die Struktur des<br />
Emissionsliniengebietes mit unglaublich hoher räumlicher<br />
Auflösung (wie sie theoretisch von einem optischen<br />
1-km-Teleskop realisiert werden könnte) rekonstruieren.<br />
Jedoch reicht die zeitliche Dichte der Datenpunkte noch<br />
nicht aus, um eine solche Rekonstruktion vernünftig<br />
vorzunehmen. Kein anderer T-Tauri-Stern bietet die<br />
Möglichkeit, Modelle dieses Typs junger Sterne direkt<br />
zu testen.<br />
Auch eine verbotene Emissionslinie des neutralen<br />
Sauerstoffs [OI] ließ sich nachweisen, sie zeigt eine<br />
Doppelstruktur, deren <strong>Max</strong>ima etwa bei ± 20 km/s liegen.<br />
Sie hat eine andere Ursache als die Wasserstofflinie:<br />
Sie deutet darauf hin, dass von dem T-Tauri-Stern aus<br />
zwei eng gebündelte Gasstrahlen, so genannte Jets, in<br />
entgegengesetzten Richtungen ins All schießen. Je stärker<br />
die Achse der Jets gegen die Sichtlinie geneigt ist,<br />
desto geringer sind die beiden im Spektrum gemessenen<br />
Radialgeschwindigkeiten. Nimmt man <strong>für</strong> die Teilchen<br />
im Jet eine typische Strömungsgeschwindigkeit von<br />
200 km/s an, so ergibt sich daraus eine Neigung der<br />
Strömungsrichtung gegen die Sichtlinie von 84 Grad.<br />
Man beobachtet den Jet also fast genau von der Seite.<br />
Im Laufe des Berichtsjahres wurde intensiv darüber<br />
diskutiert, wie sich alle Beobachtungsergebnisse<br />
konsistent erklären lassen. Derzeit geht man davon<br />
aus, dass KH 15D ein enges Doppelsystem ist, dessen<br />
beide Komponenten sich in einem durchschnittlichen<br />
Abstand von 0.25 AE mit einer Periode von 48 Tagen<br />
umkreisen (Abb. II.10). Die Bahnebene ist stark gegen<br />
die Sichtlinie geneigt. Die beiden Sterne A und B sind<br />
von einer gemeinsamen Staubscheibe umgeben, deren<br />
Äquatorebene gegen die Bahnebene geneigt ist. Im<br />
Laufe der Jahre verschiebt sich durch Präzession die<br />
Neigung der Scheibe relativ zur Bahnebene der Sterne,<br />
wodurch sich eine wechselnde Bedeckungsgeometrie<br />
ergibt. So bedeckt in manchen Phasen die Scheibe nur<br />
zeitweise einen Stern, wodurch die Periode von 48<br />
Tagen mit geringer Amplitude erklärt wird, die vor einigen<br />
Jahrzehnten beobachtet wurde.<br />
In anderen Phasen erwartet man, dass beide Sterne<br />
mehr oder weniger stark bedeckt werden, was zu den tiefen<br />
Minima führt, deren Dauer von dem Bedeckungsgrad<br />
beider Bahnen abhängt. So geht man davon aus, dass seit<br />
etwa 1998 die Scheibe die gesamte Bahn von Stern B<br />
und einen großen Teil der Bahn von Stern A bedeckte.<br />
Dadurch kommt es seitdem zu den lang andauernden<br />
tiefen Bedeckungsphasen. Geht die derzeitig beobachtete,<br />
kontinuierliche Verlängerung der Bedeckungsphase<br />
um ein bis zwei Tage pro Jahr weiter, so müsste die<br />
zirkumbinäre Scheibe in ein bis zwei Jahrzehnten beide<br />
Sterne bedecken.<br />
KH 15D ist ein faszinierendes Objekt, unter anderem<br />
auch deshalb, weil sich hier offensichtlich<br />
Veränderungen in der Umgebung eines jungen Sterns<br />
auf kurzen Zeitskalen abspielen. Die Astronomen des<br />
<strong>Institut</strong>s planen daher weitere Beobachtungen, insbeson-<br />
1960<br />
1970<br />
0.1 AE<br />
Stern B<br />
dere mit dem Weltraumteleskop HUBBLE oder mit der<br />
Hochleistungs-Infrarotkamera NACO. Darüber hinaus<br />
sollte die geplante hoch auflösende Spektroskopie mit<br />
den Spektrographen UVES am VLT der ESO und HIRES<br />
am Keck-Observatorium auf Mauna Kea (Hawaii) während<br />
der Bedeckungsphase die einmalige Chance liefern,<br />
das Emissionsgebiet des Doppelsterns mit bisher nicht<br />
da gewesener räumlicher Auflösung zu rekonstruieren.<br />
(R. Mundt, C. Bailer-Jones, M. Lamm in enger<br />
Zusammenarbeit mit Bill Herbst und Catrina Hamilton<br />
(Wesleyan Observatory, Middletown, USA).<br />
Beteiligte <strong>Institut</strong>e: Thüringer Landessternwarte<br />
Tautenburg, Universitäts-Sternwarte München,<br />
Rice University, Houston, USA, U.S. Naval Obs.,<br />
Flagstaff, USA, University of Berkeley, USA, NASA<br />
Ames Research Center, Moffett Field, USA, Colgate<br />
University, Hamilton, USA, Ulugh Beg Astronomical<br />
<strong>Institut</strong>e, Taschkent, Usbekistan, Tel Aviv University, Tel<br />
Aviv, Israel)<br />
1995<br />
2002<br />
Stern A<br />
Abb. II.10 : Das zur Zeit beste Modell von KH 15D. Die beiden<br />
Sterne A und B umlaufen einen gemeinsamen Schwerpunkt. Die<br />
z-Achse weist zum Beobachter, die mit Jahren gekennzeichneten<br />
Linien definieren die rechte Kante der Staubscheibe, die sich<br />
von links nach rechts vor das Doppelsystem schiebt. (J. Winn,<br />
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)
II.3 Eine neue Methode zur Beobachtung protoplanetarer Scheiben<br />
Es ist mittlerweile unumstritten, dass viele Sterne von<br />
Planeten umkreist werden. Dies gilt insbesondere <strong>für</strong><br />
sonnenähnliche Sterne, wie die Entdeckung zahlreicher<br />
extrasolarer Planeten in den vergangenen Jahren<br />
gezeigt hat. Ebenfalls gesichert ist die Vorstellung, dass<br />
diese Planeten in Staubscheiben junger Sterne entstehen.<br />
Viele Details der Planetenentstehung sind jedoch<br />
nach wie vor unklar, weil sich die protoplanetaren<br />
Scheiben nicht räumlich detailliert beobachten lassen.<br />
Astronomen des <strong>Institut</strong>s haben eine neue Methode eingesetzt,<br />
um die Struktur der zirkumstellaren Scheiben<br />
zu untersuchen. Sie nutzen hier<strong>für</strong> die am <strong>MPIA</strong> mit entwickelte<br />
Infrarotkamera NACO am Very Large Telescope<br />
der ESO im Polarisationsmodus. Die erste Beobachtung<br />
einer Scheibe um den jungen Stern TW Hydrae war sehr<br />
vielversprechend. Die Scheibe konnte so nahe am Stern<br />
abgebildet werden wie nie zuvor.<br />
Sterne bilden sich durch den Gravitationskollaps<br />
interstellarer Wolken. Überschreitet eine solche Wolke<br />
eine bestimmte Grenzmasse, so zieht sie sich unter dem<br />
Einfluss der eigenen Schwerkraft zusammen. Rotiert<br />
die Wolke anfänglich langsam, so beschleunigt sich<br />
ihre Rotation mit fortschreitendem Kollaps. Die immer<br />
stärker werdenden Fliehkräfte ziehen die Wolke senkrecht<br />
zur Rotationsachse auseinander und flachen sie zu<br />
einer Scheibe ab. Im Zentrum entsteht ein Stern, in der<br />
Scheibe bilden sich Planeten.<br />
Planetenentstehung und Strukturen in protoplanetaren<br />
Scheiben<br />
Die Planetenentstehung läuft nach heutigen Vorstellungen<br />
in mehreren Stufen ab. Zunächst sind Staub und<br />
Gas vermischt, und die festen Partikel wachsen weiter<br />
an, indem sie zusammenstoßen und aneinander haften<br />
bleiben. Die auf diese Weise immer schwerer werdenden<br />
Teilchen sinken nun aufgrund der Schwerkraft zur<br />
Mittelebene der Scheibe und bilden dort eine verhältnismäßig<br />
dünne Staubscheibe. Da durch diesen Prozess die<br />
Staubdichte zunimmt, stoßen die Teilchen jetzt öfter zusammen<br />
und wachsen so zu Planetesimalen mit einigen<br />
Kilometern Durchmesser an. Diese Körper können durch<br />
Zusammenstöße aufgrund gravitativer Wechselwirkung<br />
zu Planeten anwachsen, denn ihre Gravitation ist groß<br />
genug, um aus ihrer Umgebung weiter Staub und Gas<br />
anzuziehen und aufzusammeln.<br />
In einer Entfernung von etwa 5 AE vom Stern dauert<br />
es einige hunderttausend bis eine Million Jahre, bis<br />
sich ein Planet von der Größe Jupiters gebildet hat.<br />
Computersimulationen belegen, dass es hierbei zu inter-<br />
essanten Wechselwirkungen mit der Scheibe kommt. So<br />
bewirkt das Gravitationsfeld des Planeten in der zirkumstellaren<br />
Staubscheibe eine Störung, die zur Ausbildung<br />
von spiralförmigen Dichtewellen führt. Sie erinnern an<br />
die Arme von Spiralgalaxien.<br />
Es kommt auch zu einem Austausch von Drehimpuls<br />
zwischen der Scheibe und dem Planeten. Die Teilchen<br />
innerhalb der Planetenbahn bewegen sich schneller um<br />
den Stern herum als der Planet. Er bremst sie daher mit<br />
seiner Schwerkraft ab oder anders gesagt, die Teilchen<br />
verlieren an Drehimpuls und wandern weiter nach innen.<br />
Hingegen sind die Teilchen jenseits der Bahn des Planeten<br />
langsamer als dieser und gewinnen von ihm Drehimpuls,<br />
wodurch sie weiter nach außen wandern. Auf diese Weise<br />
entsteht in der Scheibe im Laufe weniger tausend Jahre<br />
eine ringförmige Lücke um die Planetenbahn herum.<br />
Gleichzeitig verlieren die Teilchen der inneren Scheibe<br />
an Drehimpuls und fallen in den Zentralstern hinein.<br />
Auf diese Weise entstehen in den Scheiben Strukturen<br />
wie Dichtewellen und Lücken. Ließen sich diese Phänomene<br />
direkt beobachten, so wäre dies ein großer<br />
Schritt voran in Richtung auf ein echtes Verständnis der<br />
Planetenentstehung, das derzeit im Wesentlichen noch<br />
auf Modellvorstellungen beruht. Noch ist dieser Schritt<br />
nicht möglich, weil der Zentralstern die Scheibe überstrahlt<br />
und eine sehr hohe räumliche Auflösung nötig<br />
ist, um Strukturen auch in den inneren Bereichen der<br />
Scheibe beobachten zu können.<br />
Differentielle polarimetrische Abbildung mit NACO<br />
Mehrere Forschergruppen haben vergeblich versucht,<br />
mit dem Weltraumteleskop HUBBLE Strukturen von den<br />
Ausmaßen unseres inneren Planetensystems in zirkumstellaren<br />
Scheiben zu erkennen. Astronomen des <strong>MPIA</strong><br />
haben jetzt eine vielversprechende Methode eingesetzt:<br />
die differentielle polarimetrische Abbildung (polarimetric<br />
differential imaging, PDI). Sie ermöglicht die<br />
Abbildung polarisierten Streulichts aus der Staubscheibe<br />
und verstärkt den Kontrast zwischen Scheibe und Stern.<br />
PDI funktioniert nach folgendem Prinzip: Das direkt<br />
vom Stern kommende Licht ist unpolarisiert. Das an<br />
der Staubscheibe gestreute Sternlicht weist hingegen<br />
eine lineare Polarisation auf, deren Grad und Richtung<br />
mit dem Positionswinkel auf der Scheibe variiert. Der<br />
Trick besteht darin, von einem Objekt gleichzeitig zwei<br />
Polarisationsaufnahmen mit senkrecht zueinander stehender<br />
Polarisationsrichtung zu erhalten. Diese beiden<br />
Bilder werden anschließend im Computer voneinander<br />
subtrahiert, um den nicht polarisierten Anteil des Sternlichtes<br />
zu eliminieren.<br />
27
28 II Highlights<br />
Abb. II.11: Das Team des <strong>MPIA</strong> bei der Inbetriebnahme der<br />
Hochleistungskamera NACO am Very Large Telescope.<br />
PDI in Kombination mit extrem hoher räumlicher<br />
Auflösung lässt sich derzeit weltweit nur mit ganz wenigen<br />
Instrumenten betreiben. Die besten Möglichkeiten<br />
bietet die Infrarotkamera NACO am Very Large Telescope.<br />
Für Messungen von Polarisationsgrad und -winkel<br />
verfügt NACO über vier Gitterpolarisatoren und zwei<br />
Wollaston-Prismen.<br />
Die protoplanetare Scheibe um TW Hydrae<br />
Das Potenzial dieser Methode demonstrierten Astronomen<br />
des <strong>Institut</strong>s im Berichtsjahr an dem etwa 56<br />
Parsec (180 Lichtjahre) entfernten Vorhauptreihenstern<br />
TW Hydrae. Bei diesem ca. acht Millionen Jahre alten<br />
T-Tauri-Stern hatte man 1998 im Bereich des sichtbaren<br />
Lichts eine variable, räumlich nicht aufgelöste Polarisation<br />
beobachtet – ein starkes Indiz <strong>für</strong> eine zirkumstellare<br />
Staubscheibe. Es folgten Versuche, die Scheibe direkt<br />
zu beobachten. Im Jahre 2002 gelang es, mit NICMOS an<br />
Bord des Weltraumteleskops HUBBLE die Scheibe abzubilden.<br />
Auf der Aufnahme sah man Streulicht der Scheibe<br />
in einem Abstandsbereich vom Stern zwischen 20 und<br />
230 AE. Jedoch verdeckte die koronographische Maske,<br />
die das direkte Sternlicht abblockt, den inneren Bereich<br />
mit einem Radius von 0.3 Bogensekunden, entsprechend<br />
fast 20 AE. Spektren im thermischen Infrarot verrieten<br />
die Anwesenheit von Silikaten im Staub der Scheibe.<br />
Darüber hinaus deutete die spektrale Energieverteilung<br />
auf die Existenz eines großen Planeten hin. Dieses interessante<br />
Objekt war somit ein idealer Kandidat, um die<br />
neue Methode PDI zu testen.<br />
Die Beobachtungen erfolgten im April 2002 bei 2.2 µm<br />
Wellenlänge (K-Band). Für die Polarisationsmessungen<br />
wurde eines der beiden Wollaston-Prismen verwendet.<br />
Durchquert ein Lichtstrahl das Prisma, so wird er in zwei<br />
senkrecht zueinander polarisierte Anteile aufgespalten.<br />
Um den unpolarisierten Anteil des Lichts zu eliminieren,<br />
werden die beiden Anteile voneinander abgezogen.<br />
Die Auflösung des Detektors lag bei 0.027 Bogensekunden<br />
pro Pixel, die beugungsbegrenzte Winkelauflösung<br />
des Teleskops beträgt bei dieser Wellenlänge 0.07<br />
Bogensekunden. Am Ort von TW Hydrae entspricht dies<br />
ca. 4 AE. Es wurden zwei Beobachtungsreihen durchgeführt:<br />
Ein Satz mit lang belichteten Aufnahmen mit einer<br />
Gesamtzeit von 30 Minuten. Sie lassen auch die äußeren,<br />
lichtschwachen Bereiche der Scheibe erkennen, sind aber<br />
im Zentralteil überbelichtet. Ein zweiter Satz mit kurz<br />
belichteten Aufnahmen (insgesamt 24 Sekunden Integrationszeit)<br />
macht den inneren Bereich sichtbar.<br />
Das Ergebnis der lang belichteten Aufnahmen zeigt<br />
Abb. II.12a. Abgesehen von dem innersten, überbelichteten<br />
Bereich mit 0.06 Bogensekunden Radius, erkennt<br />
man ein Muster räumlich variierender Polarisation, wie<br />
man es bei einer zirkumstellaren Scheibe erwartet. In<br />
einem solchen Fall variiert nämlich die Richtung des<br />
Polarisationsvektors mit dem Positionswinkel, was zu<br />
einer Art »Schmetterlingsmuster« führt. Die Variation<br />
des Polarisationswinkels verdeutlicht Abb. II.12b. Hier<br />
wurde die Intensität in einem ringförmigen Bereich
zwischen 0.75 und 1 Bogensekunde Abstand vom Stern<br />
in Abhängigkeit vom Positionswinkel aufgetragen. Das<br />
Schmetterlingsmuster ließ sich in einem Abstandsbereich<br />
zwischen 0.5 und 1.4 Bogensekunden nachweisen, was<br />
einem räumlichen Abstandsbereich von ca. 30 bis 80<br />
AE um TW Hydrae entspricht. Weniger deutlich, aber<br />
auch signifikant, erschien das Schmetterlingsmuster auf<br />
den kurz belichteten Bildern in einem Bereich zwischen<br />
0.1 und 0.4 Bogensekunden Abstand (5 bis 20 AE) vom<br />
Stern.<br />
Mit diesen Beobachtungen konnte eine protoplanetare<br />
Scheibe so nahe am Stern abgebildet werden wie nie<br />
zuvor. Die Messdaten belegen, dass der Innenrand der<br />
Scheibe mindestens bis etwa 5 AE Entfernung an TW<br />
Hydrae heranreicht. Dies widerspricht einem Modell<br />
N [Ereignisse / s]<br />
a<br />
1000<br />
500<br />
0<br />
–500<br />
–1000<br />
–1500<br />
b<br />
0.5<br />
R in = 0.756000<br />
R out = 1 . 02600<br />
Bin-Breite = 5°<br />
0° 100° 200°<br />
Winkel<br />
300°<br />
400°<br />
Abb. II.12: a) Anteil des polarisierten Lichts in der nahen<br />
Umgebung von TW Hydrae. Es entsteht durch Streuung des<br />
Sternlichts an der protoplanetaren Scheibe; b) Variation des<br />
Polarisationswinkels in Abhängigkeit vom Positionswinkel.<br />
III.3 Eine neue Methode zur Beobachtung protoplanetarer Scheiben. 29<br />
aus dem Jahr 2000, das auf der Analyse des radialen<br />
Helligkeitsverlaufs der Scheibe im nahen Infrarot beruht.<br />
Danach sollte die Scheibe erst in einer Entfernung von<br />
18 AE vom Stern beginnen. Ein anderes Modell, wonach<br />
die Scheibe in einem Abstand von etwa 4 AE wegen der<br />
Schwerkraftwirkung eines großen Planeten eine Lücke<br />
besitzen soll, ließ sich indes nicht nachprüfen.<br />
Ein zweites Ergebnis betraf den radialen Verlauf des<br />
Polarisationsgrades. Die Messungen zeigen, dass dieser<br />
nicht vom Abstand zum Stern abhängt, so dass die gemessene<br />
polarisierte Intensität gleichzeitig die generelle<br />
Oberflächenhelligkeit der Scheibe charakterisiert. Eine<br />
genaue Analyse der Messdaten erbrachte eine radiale<br />
Abnahme der Intensität etwa mit der dritten Potenz<br />
des Abstandes. Dieses Ergebnis stimmt recht gut mit<br />
vorherigen Beobachtungen überein (Abb. II.13). Ein<br />
solches Verhalten erwartet man <strong>für</strong> eine flache, optisch<br />
dicke Staubscheibe (Abb. II.14). Es passt hingegen nicht<br />
zu dem Modell der so genannten leuchtenden Scheibe<br />
(flared disk), das nach Ansicht einiger Astronomen <strong>für</strong><br />
T-Tauri-Sterne gelten sollte. In diesem Fall liegt an der<br />
Oberfläche der Scheibe eine optisch dünne Schicht, die<br />
von der Sternstrahlung erwärmt wird und im thermischen<br />
Infrarot leuchten sollte.<br />
Auffällig ist ein sehr flacher Verlauf der Helligkeit<br />
in einem Abstand zwischen 0.5 und 0.7 Bogensekunden<br />
vom Stern, wie er sich schon bei früheren Beobachtungen<br />
angedeutet hat. In diesem Bereich fällt die Intensität<br />
nur proportional zum Abstand ab. Diese Veränderung<br />
lässt sich nicht eindeutig erklären. Möglich wäre, wie<br />
eingangs beschrieben, eine lokale Dichtestörung in der<br />
Optisch dicke Scheibe<br />
Sichtlinie<br />
Optisch dünne Scheibe<br />
Supergeheizte Schicht<br />
Flared-Disk-Modell<br />
Flat-Disk-Modell<br />
Abb. II.13: Schematische Darstellung möglicher protoplanetarer<br />
Scheiben um junge Sterne. Oben das Modell der leuchtenden<br />
Scheibe, unten das der optisch dicken, flachen Scheibe.
30 II Highlights<br />
Radiale Intensität Ereignisse<br />
[ 0.4 s pxl ]<br />
1.0<br />
0.1<br />
HST H-Band (Weinberger et al. 2002)<br />
HST J-Band (Weinberger et al. 2002)<br />
0.5 0.6 0.7 0.8 1.0 1.3 1.5<br />
Distanz von TW Hya<br />
Abb. II.14: Radialer Helligkeitsverlauf der Scheibe um TW<br />
Hydrae, gemessen mit dem Weltraumteleskop HUBBLE (durchgezogene<br />
und gestrichelte Linie). Zum Vergleich die mit PDI<br />
gemessene polarisierte Intensität (Sterne).<br />
Scheibenmaterie, wie sie ein großer Planet hervorrufen<br />
kann. Denkbar ist auch, dass in dem entsprechenden<br />
Bereich die Staubteilchen eine andere Größenverteilung<br />
und damit auch andere Reflexionseigenschaften aufweisen.<br />
Um diese Frage zu klären, sind weitere Beobachtungen<br />
mit hoher räumlicher Auflösung nötig. Grundsätzlich<br />
konnte erstmals nachgewiesen werden, dass die Methode<br />
der differentiellen polarimetrischen Abbildung sehr wirkungsvoll<br />
ist, um protoplanetare Scheiben in der nahen<br />
Umgebung der Sterne zu untersuchen.<br />
(D. Apai, W. Brandner, Th. Henning, L. Lenzen,<br />
I.Pascucci.<br />
Beteiligte <strong>Institut</strong>e: Steward Observatory,<br />
Tucson, Arizona,<br />
Observatoire de Grenoble, ONERA, Chatillon)
II.4 MIDI – Infrarot-Interferometrie an großen Teleskopen<br />
Nach dem ersten erfolgreichen Test des interferometrischen<br />
Messinstruments MIDI (Mid-Infrared<br />
Interferometric Instrument) Ende 2002 am Very Large<br />
Telescope der Europäischen Südsternwarte ESO erfolgte<br />
im Berichtsjahr die Phase, in der die sichere<br />
Funktionsfähigkeit getestet wurde. MIDI erfüllte voll<br />
und ganz die hoch gesteckten Erwartungen und eröffnet<br />
damit ein neues Feld astronomischer Beobachtungen:<br />
Erstmals lässt sich im mittleren Infrarot eine Auflösung<br />
bis zu einer hundertstel Bogensekunde erreichen.<br />
Beobachtungen von zirkumstellaren Scheiben um junge<br />
Sterne sowie des Staubrings im Zentrum einer aktiven<br />
Galaxie zeigen die enorme Leistungsfähigkeit des<br />
Instruments. MIDI wurde unter der Federführung des<br />
<strong>MPIA</strong> von einem Konsortium deutscher, niederländischer<br />
und französischer Teams gebaut.<br />
Jahrzehntelang war optische Interferometrie eine<br />
Spielweise <strong>für</strong> Tüftler und unbeirrbar optimistische<br />
Astronomen. Bei dieser Technik wird das Licht von zwei<br />
oder mehreren Teleskopen so zusammengeführt, als<br />
käme es von einem Einzelteleskop. Beträgt die größte<br />
Entfernung zwischen diesen Teleskopen beispielsweise<br />
hundert Meter, so lässt sich mit dem Interferometer dieselbe<br />
Auflösung erzielen wie mit einem Einzelteleskop<br />
mit einem 100-m-Spiegel. So wird eine überragende<br />
Bildschärfe von wenigen tausendstel Bogensekunden im<br />
nahen Infrarot und einer hundertstel Bogensekunde bei<br />
10 µm Wellenlänge erreicht. Das ist mehr als zehnmal so<br />
gut wie es mit einem einzelnen 8-m-Teleskop des VLT<br />
theoretisch möglich ist und übertrifft die natürliche, durch<br />
die Luftunruhe (Seeing) begrenzte Bildschärfe um das<br />
Hundertfache. Diese Zahlen demonstrieren das enorme<br />
astronomische Potenzial der Interferometrie. Überdies<br />
werden derzeit die Möglichkeiten der Interferometrie<br />
am VLT durch den Aufbau kleinerer Zusatzteleskope<br />
erweitert (Abb. II.15), wobei finanzielle Beiträge aus der<br />
<strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-Gesellschaft kamen.<br />
Abb. II.15: Das VLT auf dem Cerro Paranal. Hinten drei der vier<br />
8-m-Teleskope, im Vordergrund das erste der zusätzlichen 1.8m-Teleskope,<br />
die zur Interferometer-Anordnung gehören werden.<br />
(Bild: ESO)<br />
31
32 II Highlights<br />
Abb. II.16: Kleine Diskussionspause <strong>für</strong> Christoph Leinert,<br />
Thomas Henning und Rainer Köhler (sitzend v.l.n.r.), während<br />
die Teleskop-Operateure Lorena Faundez und Hector Alarcon<br />
das Objekt einstellen.<br />
Nach dem ersten erfolgreichen Test von MIDI Ende<br />
2002 nahm die ESO das Instrument im September <strong>2003</strong><br />
in den offiziellen Beobachtungsbetrieb auf, so dass es<br />
nun allen Astronomen zur Verfügung steht. Damit wurde<br />
ein sehr ehrgeiziges Ziel planmäßig erreicht. MIDI ist das<br />
erste Instrument an großen Teleskopen, das interferometrisch<br />
das mittlere Infrarot bei Wellenlängen um 10 µm<br />
abdeckt.<br />
Es war noch ein anstrengender Weg von der ersten<br />
Beobachtung eines hellen Sterns am 15. Dezember<br />
2002 bis zum heutigen Routinebetrieb. Fehler im Instrument<br />
und in der komplexen Infrastruktur der VLT-<br />
Großteleskope mussten erkannt und behoben werden;<br />
Belichtungszeiten mussten ermittelt, die Abfolge der<br />
Messschritte optimiert und das reibungslose Zusammenspiel<br />
der Instrumentensteuerung mit den interferometrisch<br />
gekoppelten Teleskopen sichergestellt werden.<br />
Erheblichen Aufwand verlangte auch die bei der ESO<br />
übliche Speicherung und Schnellauswertung der Daten.<br />
Hier waren in erster Linie die Softwarespezialisten des<br />
Instrumententeams und der ESO gefragt. Nach teilweise<br />
hektischer Tag- und Nachtarbeit im Februar, Mai und<br />
Dezember konnte das Ziel kurz vor Jahresende 2002<br />
erreicht werden (Abb. II.16).<br />
Der Routinebetrieb von MIDI ist ein Durchbruch in der<br />
astronomischen Beobachtungstechnik. Jetzt kann jeder<br />
Astronom, und nicht nur wenige Spezialisten, von der<br />
enormen Bildschärfe dieser Methode profitieren. Dies<br />
darf nicht darüber hinwegtäuschen, dass Interferometrie<br />
im Infraroten aufwändig und kompliziert ist.<br />
Zunächst muss <strong>für</strong> die beiden von MIDI genutzten<br />
Teleskope das Infrarotbild auf dem Detektor gefunden<br />
werden. Dies ist nicht immer einfach, weil manche der<br />
untersuchten Objekte auf den im sichtbaren Bereich<br />
empfindlichen Bildschirmen gar nicht zu sehen sind<br />
und beim Anfahren des Objekts nicht immer gleich auf<br />
den Infrarotdetektor des Instruments fallen. Als nächstes<br />
müssen erst Bedingungen geschaffen werden, dass es so<br />
wirkt, als kämen die Lichtbündel der interferometrisch<br />
gekoppelten Teleskope von einem großen Einzelteleskop.<br />
Dazu müssen die Bilder der Einzelteleskope genau so an<br />
eine bestimmte Stelle des Detektors geschoben werden,<br />
dass sie zu einem ununterscheidbaren Bild verschmelzen.<br />
Außerdem müssen die Wege, die das Licht über die<br />
einzelnen Teleskope zum Detektor zurücklegt, auf wenige<br />
hundertstel Millimeter genau gleich lang sein. Dazu<br />
dienen die mit fahrbaren Spiegeln aufgebauten Verzögerungsstrecken<br />
(delay lines), die in einem Tunnel unterhalb<br />
der Teleskope aufgebaut sind.<br />
Jetzt kommt die Nagelprobe: Tritt die zum Erreichen<br />
der hohen Bildschärfe nötige Interferenz auf? Dann<br />
sehen wir das Interferenzmuster als Folge dunkler und<br />
heller Streifen, hervorgerufen durch destruktive und<br />
konstruktive Überlagerung der Lichtwellen. Ein kurzer<br />
Test genügt, dann kann die Messung des Streifenmusters<br />
beginnen. Bei einer raschen Auswertung der Daten während<br />
der Messung stellt man fest, wann die Weglängen<br />
des Lichts über die beiden Teleskope aufgrund atmosphärischer<br />
Störungen auseinanderlaufen. Dann korrigiert<br />
man die aufgetretenen Weglängendifferenzen mit einem<br />
Befehl an die delay line und fährt mit der Messung fort,<br />
bis eine ausreichende Datenmenge vorhanden ist.
Die astronomisch relevante Information liegt im<br />
Kontrast des Streifenmusters. Gemeint ist damit der Intensitätskontrast<br />
zwischen den <strong>Max</strong>ima und Minima im<br />
Interferenzmuster. Diese Größe nennt man Sichtbarkeit<br />
oder englisch Visibility. Ihr Wert schwankt zwischen<br />
1 und 0. Eine nicht aufgelöste Punktquelle hat den<br />
Visibility-Wert 1, bei aufgelösten Objekten ist er kleiner<br />
als 1, wobei er mit wachsender Ausdehnung der Objekte<br />
abnimmt.<br />
Im nahen Infrarot behindert die thermische Emission<br />
der Teleskope und auch des Nachthimmels die Beobachtungen<br />
erheblich. Sie kann die Helligkeit eines Himmelskörpers<br />
um das Tausendfache übersteigen. Daher sind<br />
spezielle Zusatzmessungen nötig, um die Visibility der<br />
Objekte von dieser störenden Emission zu befreien.<br />
Dennoch bleiben unvermeidbare Unzulänglichkeiten der<br />
zahlreichen optischen Elemente in den Strahlengängen<br />
und die Wirkung der Turbulenzen in der Atmosphäre, die<br />
das Interferenzmuster verschmieren. Diese Störungen<br />
lassen sich korrigieren, indem man eine Referenzquelle<br />
beobachtet, von der man weiß, dass sie selbst bei der<br />
hohen interferometrischen Auflösung punktförmig erscheint.<br />
Dies ist in der Tat ein erheblicher Aufwand, der insgesamt<br />
eine Stunde erfordern kann, und dies nur, um<br />
eine einzige Größeninformation über das zu untersuchende<br />
Objekt zu erhalten. Allerdings gibt es bei MIDI<br />
eine Zusatzfunktion, die den Informationsgehalt enorm<br />
steigert. Das Instrument verfügt über ein Prisma, in dem<br />
das Licht spektral zerlegt wird. Dadurch erhält man die<br />
Größeninformation gleichzeitig in 30 Wellenlängenbereichen<br />
um die zentrale Wellenlänge von 10 µm herum.<br />
Dies macht, wie die unten aufgeführten Beispiele zeigen,<br />
den besonderen Wert dieser interferometrischen<br />
Beobachtungen aus.<br />
Zirkumstellare Scheiben um junge Sterne<br />
Zirkumstellare Scheiben sind in den letzten Jahren in<br />
den Mittelpunkt des Interesses gerückt, da in ihnen nach<br />
dem heutigen Kenntnisstand Planeten entstehen. Die<br />
meisten jungen Sterne geringer oder mittlerer Masse bis<br />
etwa zwei Sonnenmassen (T-Tauri-Sterne) sind von zirkumstellaren<br />
Scheiben aus Gas und Staub umgeben. Seit<br />
gut zehn Jahren werden sie intensiv untersucht, am MPI<br />
<strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong> bilden sie einen Forschungsschwerpunkt<br />
(vgl. beispielsweise Kapitel II.3 über die Scheibe um<br />
TW Hydrae).<br />
Massereichere Sterne standen bislang in dieser Hinsicht<br />
nicht so sehr im Blickpunkt der Astronomen, obwohl<br />
es keinen Grund gibt, dass nicht auch viele dieser<br />
Sterne Scheiben besitzen können. In der Tat fand sich<br />
bei einigen jungen Sternen vom Spektraltyp A und B<br />
(so genannten Herbig-Ae- und Be-Sternen) intensive<br />
Emission im Infraroten oder im Millimeter-Wellenlängenbereich.<br />
Diese lässt sich auf zirkumstellaren Staub<br />
II.4 MIDI – Infrarot-Interferometrie an großen Teleskopen. 33<br />
zurückführen, der ebenfalls in Form einer Scheibe angeordnet<br />
zu sein scheint.<br />
Aus der Intensität der Strahlung bei verschiedenen<br />
Wellenlängen haben Theoretiker Modelle <strong>für</strong> solche<br />
Scheiben entwickelt. Die meisten gehen davon aus,<br />
dass die Millimeteremission von kalten Staubteilchen<br />
stammt, die sich in der Mittelebene der Scheibe angesammelt<br />
haben. Die darüber und darunter liegende<br />
»Haut« der Scheibe wird vom Zentralstern erwärmt,<br />
so dass dort die Partikel im mittleren Infrarot strahlen.<br />
Die Aufwärmung ist besonders wirksam, wenn sich die<br />
Scheibe mit wachsender Entfernung vom Stern immer<br />
stärker aufbläht (Fachausdruck: flaring disk).<br />
Genauere Computersimulationen legen folgendes<br />
Szenario nahe: Der zentrale, heiße Ae- oder Be-Stern<br />
heizt seine unmittelbare Umgebung so stark auf, dass<br />
sich dort keine Staubteilchen aufhalten können, sie<br />
würden verdampfen. An die dadurch gebildete Lücke<br />
schließt sich die Staubscheibe an. Deren Innenrand wird<br />
besonders stark auf Temperaturen von 1200 K bis 1500<br />
K aufgeheizt und bläht sich dadurch zu einem ringartigen<br />
Torus auf, der den dahinter liegenden Bereich bis<br />
in einigen Astronomischen Einheiten (AE) Entfernung<br />
vom Stern abschatten kann. Je nach Größe des Torus<br />
und Geometrie der Scheibe beeinflusst der Schatten den<br />
Temperaturverlauf und damit die Emission im mittleren<br />
Infraroten.<br />
Direkt durch Beobachtungen bestätigen ließen sich<br />
diese geometrischen Vorgaben <strong>für</strong> die Scheiben allerdings<br />
bislang nicht. MIDI ist <strong>für</strong> diese Aufgabe indes ideal<br />
geeignet: Es erreicht die nötige räumliche Auslösung<br />
von einigen AE bei typischerweise 100 pc bis 300 pc<br />
(320 bis 1000 Lj) von uns entfernten Objekten.<br />
Im Juni <strong>2003</strong> beobachteten Astronomen des Teams<br />
und anderer <strong>Institut</strong>e am VLT-Interferometer sieben<br />
solcher Herbig-Ae/Be-Sterne, deren Alter drei bis sieben<br />
Millionen Jahre beträgt. Bei ihnen bestand auf<br />
Grund bereits zuvor im nahen und mittleren Infraroten<br />
erhaltener Spektren der Verdacht, dass sie von zirkumstellaren<br />
Scheiben umgeben sind. Einige von ihnen<br />
zeigen ausgeprägte Emission im Bereich von 10<br />
µm, die von Silikatteilchen amorpher oder kristalliner<br />
Struktur stammen muss. In manchen fand man auch<br />
die typische Emissionen aromatischer polyzyklischer<br />
Kohlenwasserstoffe (PAHs), wie sie in der Umgebung<br />
heißerer Sterne häufiger vorkommen.<br />
Die interferometrischen Beobachtungen mit MIDI<br />
wurden im dem oben beschriebenen spektroskopischen<br />
Modus mit geringer spektraler Auflösung betrieben.<br />
Hier<strong>für</strong> kombinierten die Astronomen das Licht der beiden<br />
102 m auseinander stehenden 8-m-Teleskope Antu<br />
(»Sonne«) und Melipal (»Kreuz des Südens«). Bei 10<br />
µm Wellenlänge ergab dies eine maximale Auflösung<br />
von 0.01 bis 0.02.<br />
Da sich die untersuchten Sterne in einem Entfernungsbereich<br />
von 100 bis 250 pc befinden, ließen sich bei<br />
ihnen noch Strukturen bis herunter zu etwa 2 AE auf-
34 II Highlights<br />
lösen. Der oben beschriebene spektroskopische Modus<br />
ermöglichte es, etwa 30 Größenbestimmungen bei unterschiedlichen<br />
Wellenlängen vorzunehmen. Darüber<br />
hinaus wurden die Sterne auch bei 8.7 µm Wellenlänge<br />
mit einem Einzelteleskop direkt abgebildet. Das oben<br />
beschriebene interferometrische Messverfahren umfasst<br />
daneben auch die Aufnahme von Spektren über den<br />
Wellenlängenbereich um 10 µm.<br />
Diese Spektren sind in Abb. II.17 im Vergleich zu<br />
älteren Daten gezeigt. Die gute Übereinstimmung dieser<br />
Messungen, die bei MIDI nicht primäres Ziel der<br />
Beobachtung sind, sondern mehr in dienender Funktion<br />
aufgenommen werden, ist ein erster Beleg <strong>für</strong> das einwandfreie<br />
Funktionieren des Instruments. Alle Spektren<br />
zeigen die besprochene Silikatemission, wie man es<br />
bei Scheiben erwartet, deren Oberfläche von Sternlicht<br />
erwärmt wird.<br />
Das eigentliche Ergebnis besteht aber darin, dass<br />
die interferometrische Messung an allen Objekten erfolgreich<br />
war, dass also die Trennschärfe ausreichte,<br />
die Infrarotstrahlung dieser Objekte räumlich aufzulösen.<br />
Dies demonstrieren die gemessenen Visibilities<br />
im Bereich von 7.5 µm bis 13.5 µm Wellenlänge (Abb.<br />
II.18). Typisch <strong>für</strong> alle Objekte ist, dass die Visibility-<br />
Kurven im Bereich der Silikatemission keine besonderen<br />
Merkmale aufweisen. Hierin spiegelt sich eine in<br />
etwa gleichmäßige Verteilung der Emission der kleinen<br />
und großen Silikatteilchen in der Scheibe wider. Der<br />
F n [Jy]<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
generelle Abfall der gemessenen Visibility-Werte mit<br />
zunehmender Wellenlänge kommt dadurch zustande,<br />
dass bei größeren Wellenlängen die Emission kühlerer<br />
Teilchen stärker wird und damit größere, weiter außen<br />
liegende Bereiche erfasst werden.<br />
Zum Vergleich wurden in die Abbildung auch die<br />
Vorhersagen aufgrund des Eingangs beschriebenen<br />
Modells eingetragen, wobei als zusätzlicher unbekannter<br />
Parameter die Neigung der Scheibe zum Sehstrahl<br />
zu berücksichtigen ist. Drei Fälle (Schrägaufsicht auf<br />
die Scheibe, Blick auf die Kante und unmittelbar auf die<br />
Scheibe) sind in Abb. II.18 als Linien eingezeichnet.<br />
Qualitativ stimmen Modelle und Beobachtungen der<br />
wellenlängenabhängigen Visibility (Abb. II.18) überein:<br />
zwischen 8 µm und 9 µm Wellenlänge erfolgt ein<br />
steiler Abfall, gefolgt von einem Plateau bis zu 13 µm.<br />
Quantitativ zeigen sich hingegen Abweichungen von<br />
mehreren zehn Prozent. Im Allgemeinen lassen sich<br />
diese Unterschiede durch veränderte Scheibengrößen<br />
erklären. Bei HD 163296 beispielsweise ließe sich die<br />
Abweichung zwischen Modell und Beobachtung von<br />
bis zu 80 % durch eine etwa 15 % größere Scheibe<br />
ausgleichen. Es zeigt sich also eindeutig, dass erst die<br />
räumlichen Informationen, wie sie zur Zeit nur die<br />
Interferometrie liefen kann, weitere Aufschlüsse über<br />
die tatsächliche Struktur der Scheiben ergeben.<br />
Die aus den gemessenen Werten der Visibility berechneten<br />
Scheibenradien liegen im Bereich von 1 AE<br />
HD 142527<br />
12<br />
HD 144432<br />
30<br />
HD 163296<br />
10<br />
25<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
0<br />
8 9 10 11 12 13 8 9 10 11 12 13 8 9 10 11 12 13<br />
HD 179218 14 KK Oph<br />
12<br />
10<br />
0<br />
8 9 10 11 12 13 8 9 10 11 12 13<br />
l [µm]<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
Abb. II.17: Spektren der sieben Herbig-<br />
Ae/Be-Sterne, gewonnen mit MIDI<br />
(rote Kurve) im Vergleich zu älteren<br />
Daten, die mit dem Instrument TIMMI<br />
2 am 3.6-m-Teleskop der ESO auf La<br />
Silla erhalten wurden (blau).
Visibilität<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.0<br />
8 9 10 11 12 13 8 9 10 11 12 13 8 9 10 11 12 13 8 9 10 11 12 13<br />
HD 100546<br />
d = 103 pc<br />
i = 51°<br />
B = 74 m<br />
Gruppe I<br />
HD 179218<br />
d = 240 pc<br />
i = 20°<br />
B = 60 m<br />
Gruppe I<br />
HD 142527<br />
d = 200 pc<br />
i = 70°<br />
B = 102 m<br />
Gruppe II<br />
KK Oph<br />
d = 165 pc<br />
i = 70°<br />
B = 100 m<br />
Gruppe II<br />
8 9 10 11 12 13 8 9 10 11 12 13 8 9 10 11 12 13<br />
l [µm]<br />
bis 10 AE. Diese Werte beziehen sich nur auf Staub, der<br />
im mittleren Infraroten strahlt. Es zeigte sich in diesen<br />
erschlossenen Größen ein interessanter Trend: Je röter<br />
ein Stern ist (d.h., je stärker er bei Wellenlängen um 25<br />
µm im Vergleich zum Wellenlängenbereich um 10 µm<br />
strahlt), desto größer ist die Scheibe, d.h., um so weiter<br />
ist die Emission im mittleren Infrarot ausgedehnt. Dieser<br />
Effekt ist eine erste direkte Bestätigung der geforderten<br />
Scheibengeometrie mit dickem Innenrand und sich aufblähendem<br />
Außenbereich. Dieses Modell hat bei näherer<br />
Betrachtung genau diese Beziehung als unverzichtbare<br />
Konsequenz.<br />
Es lohnt sich, zwei Objekte genauer zu betrachten.<br />
Das Objekt HD 100546 ließ sich als einziges bereits<br />
auf Direktaufnahmen räumlich auflösen (Abb. II.19).<br />
Die schräg liegende Scheibe zeigt in beiden Achsen<br />
Ausdehnungen von 0.28 und 0.18, entsprechend 29<br />
und 19 AE bei einer Entfernung von 103 pc (310 Lj).<br />
Es ist auch das röteste der beobachteten Objekte. Die<br />
Untersuchung der <strong>für</strong> die interferometrische Messung<br />
aufgenommenen Spektren zeigt, dass hier der warme<br />
Staub bis mindestens 40 AE vom Stern etwa gleiche<br />
Eigenschaften hat, was nur zu verstehen ist, wenn<br />
schon in dieser frühen Phase das den Stern umgebende<br />
Scheibenmaterial bis weit hinaus gut durchmischt ist – ein<br />
wichtiger Hinweis <strong>für</strong> Theorien der Planetenentstehung.<br />
Besonders interessant ist auch das Beispiel HD<br />
144432 (Abb. II.20). Hier demonstrieren zwei Spektren<br />
II.4 MIDI – Infrarot-Interferometrie an großen Teleskopen 35<br />
E<br />
HD 144432<br />
d = 145 pc<br />
i = 45°<br />
B = 102 m<br />
Gruppe II<br />
51 Oph<br />
d = 131 pc<br />
B = 101 m<br />
Gruppe II<br />
N<br />
HD 163296<br />
d = 122 pc<br />
i = 65°<br />
B = 99 m<br />
Gruppe II<br />
Abb. II.18: Die beobachteten<br />
Visibility-Kurven<br />
(Rauten) der sieben Sterne.<br />
Zum Vergleich drei<br />
Modelle: Schrägaufsicht<br />
auf die Scheibe (rot),<br />
Blick auf die Kante (grün)<br />
und senkrechter Blick auf<br />
die Scheibe (gepunktet).<br />
0.5<br />
Abb. II.19: Einzelteleskopaufnahme mit MIDI von HD 100546.<br />
Die Konturlinien zeigen, dass die Scheibe in allen Richtungen<br />
räumlich aufgelöst ist.<br />
die Stärke der interferometrischen Messung. Im linken<br />
Teil von Abb. II.20 ist das Spektrum des gesamten<br />
Objekts gezeigt. Erkennbar ist die typische Silikatemis-<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.0
36 II Highlights<br />
F n (normiert)<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.0<br />
HD 144432, gesamtes MIDI-Spektrum<br />
8<br />
T BB = 372 K<br />
9 10 11<br />
l [µm]<br />
12 13<br />
Abb. II.20: Spektren von HD 144432, gewonnen mit MIDI – links<br />
vom gesamten Objekt, rechts vom »interferometrisch herausvergrößerten«<br />
inneren Teil der Scheibe.<br />
sion bei 10 µm. Der hier gefundene spektrale Verlauf<br />
rührt von der Strahlung kleiner amorpher Teilchen<br />
her, wie man sie auch im interstellaren Raum findet.<br />
Der rechte Teil von Abb. II.20 zeigt das entsprechende<br />
Spektrum <strong>für</strong> den »interferometrisch herausvergrößerten«<br />
etwa 2 AE großen inneren Teil der Scheibe. Der viel<br />
flachere Intensitätsverlauf zeigt hier das Überwiegen<br />
größerer, teilweise kristalliner Teilchen. Möglicherweise<br />
sehen wir hier den ersten Schritt des Wachstums von<br />
Staubteilchen, das in seiner Fortsetzung dann zur<br />
Bildung von Planetesimalen und letztlich von Planeten<br />
führen kann.<br />
Das Herz der Aktiven Galaxie NGC 1068<br />
Aktive Galaxien unterscheiden sich von den normalen<br />
Galaxien, zu denen unser Milchstraßensystem gehört,<br />
durch die außergewöhnlich große Energieproduktion im<br />
zentralen Bereich. Die Astronomen denken, dass sie die<br />
Quelle dieses Energieausstoßes gefunden haben: Nach<br />
heutiger Auffassung befindet sich im Zentrum einer jeden<br />
aktiven Galaxie ein massereiches Schwarzes Loch,<br />
das von einer heißen Akkretionsscheibe umgeben ist.<br />
Einfall von Materie zunächst auf diese Scheibe und dann<br />
in das Schwarze Loch setzt die abgestrahlte Energie<br />
frei.<br />
Die Akkretionsscheibe ist von einem dichten torusförmigen<br />
Gebilde aus Gas und Staub umgeben. Die<br />
gesamte Struktur ist nur einige zehn Lichtjahre groß<br />
– in der Entfernung der nächsten aktiven Galaxien ent-<br />
F n<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.0<br />
HD 144432, korrelierter Fluss<br />
8<br />
T BB = 592 K<br />
9 10 11 12 13<br />
l [µm]<br />
spricht diese Strecke einem Winkeldurchmesser von<br />
weniger als 0.05 Bogensekunden. So groß erscheint eine<br />
Münze in 40 Kilometern Entfernung – nicht einmal<br />
die Bildschärfe der neuen Großteleskope der 10-Meter-<br />
Klasse ist ausreichend, um so kleine Gebilde aufzulösen.<br />
Die Modellvorstellungen von dieser Struktur beruhen<br />
daher auf indirekten Hinweisen und sind entsprechend<br />
vage. Die torusförmigen Staubverteilungen könnten sehr<br />
dicht und kompakt sein oder auch sehr ausgedehnt und<br />
von geringer Dichte.<br />
Um das zu entscheiden, ist es nötig, solche Tori<br />
räumlich aufzulösen. Dies gelang erstmals im Juni <strong>2003</strong><br />
bei der aktiven Galaxie NGC 1068, die im historischen<br />
Katalog von Messier als M 77 aufgeführt ist (Abb.<br />
II.21). Es ist dies gleichzeitig die erste interferometri-<br />
Abb. II.21: Die Seyfert-Galaxie NGC 1068 (M 77), aufgenommen<br />
im Bereich des sichtbaren Lichts.
1 kpc<br />
100 pc<br />
1 pc<br />
a<br />
b<br />
c<br />
II.4 MIDI – Infrarot-Interferometrie an großen Teleskopen. 37<br />
Abb. II.22: NGC 1068 auf unterschiedlichen Skalen. Oben: Die<br />
zentrale Region, aufgenommen mit dem Weltraumteleskop<br />
HUBBLE; Mitte: Einzelteleskopaufnahme mit MIDI bei 8.7 µm;<br />
unten: Skizze des innersten Teils, wie er sich aus den interferometrischen<br />
Beobachtungen mit MIDI ergibt.<br />
sche Beobachtung eines extragalaktischen Objekts in<br />
dem von der Wärmestrahlung des Staubs dominierten<br />
Bereich des mittleren Infraroten.<br />
NGC 1068 ist mit 17 Mpc (55 Mio. Lj) Entfernung eine<br />
der uns am nächsten gelegenen aktiven Galaxien und ist<br />
daher sehr gut untersucht worden. Galaxien dieses Typs<br />
zeichnen sich durch rasche Helligkeitsschwankungen in<br />
ihrem kompakten Kernbereich aus. Solche Galaxienkerne<br />
strahlen kräftig im ultravioletten und infraroten Spektralbereich<br />
und sind zudem starke Röntgenquellen. Diese<br />
Röntgenstrahlung muss aus der unmittelbaren Umgebung<br />
des Schwarzen Lochs im Zentrum von NGC 1068<br />
kommen, dessen Masse man auf etwa hundert Millionen<br />
Sonnenmassen schätzt.<br />
Im Fall von NGC 1068 ist der Torus so dick, dass er<br />
den Blick auf die innere Akkretionsscheibe verdeckt.<br />
Der Staub im Torus selbst wird von der heißen Scheibe<br />
auf Temperaturen zwischen 100 K und 1500 K (letzteres<br />
ist die Sublimationstemperatur von Staub) erwärmt und<br />
strahlt daher stark im Infraroten Wellenlängenbereich<br />
um 10 µm. Außerdem entsteht im Zentrum ein Jet,<br />
der sich mit Radiobeobachtungen bis sehr nahe an das<br />
Schwarze Loch heran zurückverfolgen lässt.<br />
Die ersten interferometrischen Beobachtungen mit<br />
MIDI wurden im Juni durchgeführt, im Rahmen eines<br />
Programms der ESO, mit dem die wissenschaftlichen<br />
Möglichkeiten des Instruments öffentlich demonstriert<br />
werden sollten. Im November folgten weitere Beobachtungen.<br />
Auch hier wurde, wie schon bei den Herbig-<br />
Ae/Be-Sternen, der spektroskopische Modus eingesetzt<br />
und eine Direktaufnahme mit einem Einzelteleskop bei<br />
8.7 µm erhalten (Abb. II.22 Mitte). Das Interferometer<br />
arbeitete bei Basislängen von 42 und 78 Metern, die<br />
Auflösung betrug 0.026 bzw. 0.013 Bogensekunden.<br />
Die Beobachtung bei der größeren Basislänge erfolgte<br />
längs der Symmetrieachse des Objekts, wie sie durch<br />
den Radio-Jets markiert wird.<br />
Diese auf die Symmetrie des Objekts abgestellte<br />
Messung erlaubt die Analyse der mit MIDI erhaltenen<br />
Spektren (Abb. II.23) im Rahmen eines möglichst<br />
einfachen Modells. Man kommt mit nur zwei Staubkomponenten<br />
aus: Zum einen Emission von heißem,<br />
sehr kompakt verteiltem Staub bei einer Temperatur von<br />
1000 K. Die Ausdehnung längs der Beobachtungslinie<br />
lässt sich zu 0.8 pc (3 Lj) festlegen, während die Breite<br />
nicht aufgelöst ist. Wahrscheinlich liegt sie zwischen 0.3<br />
und 1 pc (1 bis 3 Lj). Die zweite, warme Komponente<br />
besitzt eine Temperatur von 320 K. Ihre Ausdehnung<br />
entlang beider Basislinien ergibt sich zu 2.5 pc 4 pc<br />
(8 Lj 13 Lj).
38 II Highlights<br />
Fluss [Jy] Fluss [Jy] Fluss [Jy]<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
2.5<br />
2.0<br />
1.5<br />
1.0<br />
0.5<br />
0.0<br />
9 10 11 12 13<br />
NGC 1068 Totaler Fluss<br />
Korrelierter Fluss, Basislinie = 42 m, PA = – 45°<br />
Korrelierter Fluss, Basislinie = 78 m, PA = 2°<br />
9 10 11 12 13<br />
Wellenlänge [µm]<br />
Die Spektren lassen einen wichtigen Schluss auf die<br />
räumliche Anordnung dieser beiden Staubkomponenten<br />
zu. Im vom warmen Staub beherrschten Gesamtspektrum<br />
(Abb. II.23 oben) erscheint die Silikatabsorption weniger<br />
stark ausgeprägt als in dem interferometrisch herausvergrößerten<br />
Spektrum, das überwiegend Strahlung<br />
Einige Daten zu MIDI<br />
Abb. II.23: Spektren von NGC 1068, erhalten mit MIDI. Der<br />
schraffierte Bereich kennzeichnet die Messwerte mit ihren<br />
Fehlern, die durchgezogene Linie gibt Werte eines Modells wieder.<br />
Die rote und grüne Linie zeigen die Anteile der heißen bzw.<br />
warmen Komponente. Oben: Einzelteleskop-Spektrum mit der<br />
typischen Silikatabsorption bei 10 µm, Mitte: interferometrisches<br />
»herausvergrößertes« Spektrum bei 0.026 Bogensekunden<br />
Auflösung, unten bei 0.013 Bogensekunden.<br />
des heißen Staubes aus einem kleineren Bereich des<br />
Zentrums zeigt. Dies deutet darauf hin, dass die heiße<br />
Komponente in die warme eingebettet ist, so dass natürlicherweise<br />
das Licht von der heißen Komponente im<br />
inneren Bereich des umgebenden warmen Staubs eine<br />
zusätzliche Absorption erfährt.<br />
Aufgrund dieser Beobachtungsdaten bevorzugen<br />
die Astronomen folgendes Modell: Die das zentrale<br />
Schwarze Loch umgebende Akkretionsscheibe ist von<br />
einem ringförmigen Torus mit mindestens 2 pc (6.5 Lj)<br />
Radius umgeben. Dieser Ring muss sehr dick sein: Das<br />
Verhältnis von Höhe zu Radius beträgt mindestens 0.6.<br />
Die Wand der schmalen inneren Öffnung dieses Torus<br />
wird von der zentralen Energiequelle aufgeheizt und<br />
bildet eine Art schlanker Düse. Der umgebende warme<br />
Staub lässt sich bis in 4 pc (13 Lj) Entfernung vom Zentrum<br />
verfolgen.<br />
Diese Staubstruktur ist der starken Schwerkraft des<br />
zentralen Schwarzen Loches ausgesetzt und müsste<br />
sich deshalb innerhalb einiger hunderttausend Jahre zur<br />
flachen Scheibe in der Symmetrieebene des Galaxie<br />
umwandeln. Wenn man davon ausgeht, dass der Torus<br />
aber viel länger existiert, benötigt er eine kontinuierliche<br />
Energiezufuhr, die ihn gegen diese Wirkung der Schwerkraft<br />
stabilisiert. Auf welche Weise dies geschieht, ist<br />
bislang ungeklärt. So haben schon die ersten interferometrischen<br />
Beobachtungen des Kernbereichs einer aktiven<br />
Galaxie alte Fragen zur geometrischen Anordnung<br />
und zur Dynamik der Bewegungen beantwortet und<br />
neue aufgeworfen.<br />
Verfügbare Basislängen mit 8-m-Teleskopen: 47 bis 130 m<br />
Verfügbare Basislängen mit 1.8-m-Teleskopen: 8 bis 200 m<br />
Auflösung bei 10 µm Wellenlänge: 0.25 bis 0.01<br />
Empfindlichkeit: 8 bis 13 µm<br />
Blickfeld (Durchmesser) mit 8-m-Telskopen: 2<br />
Blickfeld (Durchmesser) mit 1.8-m-Telskopen: 10<br />
derzeitige Empfindlichkeit (8-m-Teleskop): Stern 4 mag<br />
derzeitige Empfindlichkeit (1.8-m-Teleskop): Stern 0.5 mag
Von MIDI zu APRÈS-MIDI<br />
Während die ersten Messungen ausgewertet und die<br />
Ergebnisse bei den wissenschaftlichen Fachzeitschriften<br />
eingereicht sind, gehen die Planungen weiter. Im Dezember<br />
<strong>2003</strong> fand in Heidelberg das konstituierende Treffen<br />
zur Erweiterung des Messbereichs von MIDI zu größeren<br />
Wellenlängen statt. In Zusammenarbeit mit niederländischen<br />
<strong>Institut</strong>en soll das Instrument bis gegen Ende<br />
2005 so ausgebaut werden, dass interferometrische Messungen<br />
auch im Bereich von 17 µm bis 26 µm möglich<br />
sind.<br />
Schließlich wurde mit den Planungen <strong>für</strong> das Projekt<br />
APRÈS-MIDI begonnen, das von den französischen<br />
Kollegen des MIDI-Teams in Nizza vorgeschlagen wurde,<br />
und dessen Name ein Wortspiel in ihrer Sprache<br />
beinhaltet. (APRÈS-MIDI bedeutet sowohl „nach MIDI“<br />
als auch „Nachmittag“). Im Rahmen dieses Projekts soll<br />
es ein zusätzlicher optischer Aufbau ermöglichen, bis<br />
zu vier Teleskope anstatt der zwei in der ursprünglichen<br />
Version des Instruments zu kombinieren. MIDI würde damit<br />
zu einem Instrument, das auch richtige Bilder liefert.<br />
Derzeit läuft eine gemeinsame Studie zur Untersuchung<br />
der technischen Machbarkeit und der wissenschaftlichen<br />
Möglichkeiten des vorgeschlagenen Konzeptes.<br />
Auch die Weiterentwicklung des VLT-Interferometers<br />
wird sich günstig auf die zukünftigen Beobachtungen<br />
mit dem Instrument auswirken. Der demnächst in<br />
Betrieb gehende »Fringe Tracker« wird das durch die<br />
Unruhe der Atmosphäre bedingte Zittern und Wandern<br />
der Interferenzmuster ausschalten, so dass <strong>für</strong> schwache<br />
II.4 MIDI – Infrarot-Interferometrie an großen Teleskopen. 39<br />
Quellen zahlreiche Messungen im Instrument »blind«<br />
aufintegriert werden können, ohne dass eine Verschmie-<br />
rung durch Bewegung der Interferenzmuster zu be<strong>für</strong>chten<br />
ist. Dies sollte die Empfindlichkeit des Instruments<br />
auf gut das Zwanzigfache steigern und so eine große<br />
Zahl neuer Möglichkeiten erschließen. Die Einführung<br />
der 1.8-m-Zusatzteleskope, die ausschließlich <strong>für</strong> den<br />
Interferometerbetrieb gedacht sind, wird <strong>für</strong> die helleren<br />
Objekte wesentlich eingehendere Studien ermöglichen,<br />
als dies mit den anderweitig stark belegten 8-m-<br />
Teleskopen der Fall ist.<br />
(Ch. Leinert, U. Graser, A. Böhm, O. Chesneau,<br />
B. Grimm, Th. Henning, T. M. Herbst, S. Hippler, R.<br />
Köhler, W. Laun, R. Lenzen, S. Ligori, R. J. Mathar,<br />
K. Meisenheimer, W. Morr, R. Mundt, U. Neumann,<br />
E. Pitz, I. Porro, F. Przygodda, Th. Ratzka, R.-R.<br />
Rohloff, N.Salm, P. Schuller, C. Storz, K. Wagner,<br />
K. Zimmermann. Beteiligte <strong>Institut</strong>e: Niederlande:<br />
Sterrenkundig Instituut Anton Pannekoek, Amsterdam;<br />
Sterrewacht Leiden; ASTRON, Dwingeloo; Kapteyn<br />
<strong>Institut</strong>, Groningen; Frankreich: Observatoire de<br />
Meudon; Laboratoire dʻAstrophysique, Observatoire<br />
de Grenoble; Observatoire de la Côte dʻAzur, Nizza;<br />
USA: National Radio Astronomy Observatory,<br />
Charlottesville; Deutschland: Kiepenheuer-<br />
<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Sonnenforschung, Freiburg; Thüringer<br />
Landessternwarte Tautenburg; <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong><br />
<strong>für</strong> Radioastronomie, Bonn; <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong> <strong>für</strong><br />
Astrophysik, Garching; Eso, Garching, als Partner des<br />
Instrumentenkonsortiums)
40 II Highlights<br />
II.5 GEMS – eine Studie zur Galaxienentwicklung<br />
Die Frage nach der Entstehung und Entwicklung der<br />
Galaxien steht seit jeher im Zentrum der Kosmologie.<br />
Doch erst seit wenigen Jahren ist es möglich, die<br />
Rotverschiebung sehr vieler Galaxien bis in große<br />
Entfernungen (und damit in frühen Epochen) sowie deren<br />
spektrale und strukturelle Eigenschaften zu ermitteln.<br />
Mit dem Survey COMBO-17 haben Astronomen des<br />
<strong>Institut</strong>s zu dieser Forschung in jüngster Vergangenheit<br />
einen entscheidenden Beitrag geleistet; im Berichtsjahr<br />
gelang ihnen ein weiterer Durchbruch. Ein internationales<br />
Team unter Leitung des <strong>Institut</strong>s erstellte im<br />
Rahmen des Projekts GEMS (Galaxy Evolution from<br />
Morphology and Spectral Energy Distributions) die<br />
größte jemals mit dem Weltraumteleskop HUBBLE gewonnene<br />
Farbaufnahme. Sie soll dazu dienen, die<br />
morphologischen Eigenschaften von 10 000 Galaxien<br />
zu bestimmen, deren Rotverschiebungswerte aus<br />
COMBO-17 bekannt sind. Mit diesen Daten wollen die<br />
Astronomen herausfinden, wie sich große, unserem<br />
Milchstraßensystem ähnliche Galaxien während der<br />
letzten sieben Milliarden Jahre, also in der zweiten<br />
»Lebenshälfte« des Universums, entwickelt haben.<br />
In seinen frühen Phasen war das Universum sehr viel<br />
kleiner als heute. Die räumliche Dichte der Galaxien war<br />
somit höher und Wechselwirkungen zwischen ihnen viel<br />
häufiger. Immer wieder flogen die Galaxien eng aneinander<br />
vorbei oder verschmolzen sogar miteinander. In<br />
beiden Fällen wirkten starke Gravitationskräfte auf das<br />
interstellare Gas in den Galaxien ein, komprimierten und<br />
verwirbelten es. In Folge dessen konnten explosionsartig<br />
neue Sterne entstehen, in einigen Fällen wurde wahrscheinlich<br />
auch vermehrt Staub und Gas in die Zentren<br />
der Galaxien gelenkt, wo es unter Aussenden energiereicher<br />
Strahlung in einem massereichen Schwarzen Loch<br />
verschwand.<br />
Im derzeit bevorzugten, so genannten hierarchischen<br />
Modell der Galaxienentwicklung sind diese frühen<br />
Wechselwirkungen die wesentliche Ursache <strong>für</strong> das<br />
Entstehen der heutigen großen Elliptischen Galaxien [2].<br />
Demnach wuchsen sie zu ihrer heutigen Größe an, indem<br />
sich im jungen Universum kleinere Galaxienbausteine<br />
vereinten. Die meisten Galaxien haben demnach eine<br />
sehr ereignisreiche Entwicklungsgeschichte hinter sich<br />
– unser Milchstraßensystem nicht ausgenommen. Diese<br />
»kosmischen Biographien« gilt es nun zu entschlüsseln.<br />
Wegen der endlichen Lichtlaufzeit schaut man mit zunehmender<br />
Entfernung der Galaxien immer weiter in die<br />
Vergangenheit des Universums zurück. Die Entfernung<br />
einer Galaxie lässt sich aus der Rotverschiebung des<br />
Spektrums bestimmen. Das Spektrum enthält überdies<br />
Informationen über die Sternpopulation und die gesamte<br />
von den Sternen abgestrahlte Energie. Im Rahmen von<br />
COMBO-17 wurde diese spektrale Energieverteilung nicht<br />
aus Spektren ermittelt, sondern aus einer Vielzahl von<br />
Direktaufnahmen durch unterschiedliche Farbfilter [1].<br />
Hier<strong>für</strong> nutzten die Astronomen eine Weitfeldkamera,<br />
die unter Leitung des <strong>MPIA</strong> entwickelt und gemeinsam<br />
mit der ESO gebaut worden war. Seit einigen<br />
Jahren arbeitet sie am 2.2-Meter-MPG/ESO-Teleskop<br />
auf La Silla. Eine speziell entwickelte Software ermittelt<br />
aus diesen Aufnahmen die Spektraltypen von Sternen<br />
und identifiziert Galaxien der Klassen E (elliptisch)<br />
bis Sc (Spiralgalaxien mit hoher Sternentstehungsrate)<br />
sowie die Starburst-Galaxien mit ungewöhnlich hoher<br />
Sternentstehungsrate. Weiterhin lässt sich die<br />
Rotverschiebung (und damit die Entfernung) der<br />
Galaxien bis hinab zu einer Rothelligkeit von 24 mag<br />
auf einige Prozent genau bestimmen.<br />
Die Daten von COMBO-17 reichen etwa zwei Größenklassen<br />
weiter als die früher erstellten Himmelsdurchmusterungen<br />
mit zuverlässigen Rotverschiebungswerten<br />
in dem entsprechenden Entfernungsbereich – folglich<br />
lassen sich innerhalb eines gegebenen Volumens<br />
(und damit zu einer gegebenen Epoche) etwa zehnmal<br />
mehr Galaxien identifizieren. Daher eignet sich dieser<br />
weltweit einmalige Datensatz dazu, die Entwicklung<br />
von Galaxien auf einer soliden statistischen Basis zu<br />
untersuchen.<br />
Diese Messdaten liefern aber nur Informationen über<br />
integrale Eigenschaften der Galaxien (Alter, Entfernung,<br />
Farbe und Leuchtkraft). Ein vollständigeres Bild der Galaxien<br />
erhält man, wenn man zusätzlich auch deren innere<br />
Struktur kennt: Wie groß sind sie? Sind ihre Sterne in einer<br />
Scheibe oder einem kugelförmige Volumen verteilt?<br />
Gibt es ausgedehnte Sternentstehungsgebiete? Zeigen<br />
die Galaxien wegen der Wechselwirkung mit anderen<br />
Galaxien eine asymmetrische Helligkeitsverteilung?<br />
Besitzen sie eine intensive zentrale Energiequelle?<br />
Statistisch relevante Antworten auf diese Fragen ergeben<br />
sich nur, wenn von einer hinreichend großen Anzahl<br />
weit entfernter Galaxien Direktaufnahmen mit sehr<br />
hoher Auflösung vorliegen. Für große Himmelsareale<br />
sind solche Aufnahmen heute innerhalb einer vernünftigen<br />
Beobachtungszeit nur mit dem Weltraumteleskop<br />
HUBBLE erhältlich.<br />
Abb. II.24: (rechts) Auf GEMS, der bislang größten mit dem<br />
Weltraumteleskop HUBBLE gewonnenen Farbaufnahme, sind<br />
etwa 40 000 Galaxien abgebildet. Hier ein Ausschnitt von 114<br />
146, entsprechend 0.2 % bis 0.3 % des gesamten GEMS-<br />
Feldes.
42 II Highlights<br />
Strategie und Analyse<br />
Das Feld der GEMS-Aufnahme liegt im Sternbild<br />
Fornax am Südhimmel, seine Größe beträgt 30 30<br />
Bogenminuten, entsprechend etwa der Fläche des Vollmondes.<br />
Das Bild (Abb. II.25) setzt sich aus 78 mit<br />
der Advanced Camera for Surveys (ACS) gewonne-<br />
Abb. II.25: (unten) Anordnung der nummerierten Einzelaufnahmen<br />
im GEMS-Feld. Die Daten der nicht nummerierten Felder<br />
entstammen dem Great Observatories Origins Deep Survey,<br />
GOODS. Alle Aufnahmen zusammen überdecken ein vollmondgroßes<br />
Areal am Südhimmel.<br />
nen Einzelaufnahmen zusammen, die jeweils in zwei<br />
Wellenlängenbereichen um 606 nm (gelb) und 850 nm<br />
(rot) gewonnen wurden. Die gesamte Belichtungszeit<br />
<strong>für</strong> das Bildmosaik in beiden Filtern betrug 150 Stunden<br />
und beanspruchte das Weltraumteleskop HUBBLE zwei<br />
volle Wochen lang.<br />
Abb. II.26: (rechts) Siebzig helle Galaxien im GEMS-Feld. Gut zu<br />
erkennen sind die Vielfalt der Formen, Größen und Strukturen<br />
– Elliptische Galaxien, Spiralgalaxien, einige davon mit ausgeprägten<br />
Balkenstrukturen – und spektakuläre Paare und Gruppen<br />
wechselwirkender Galaxien.
44 II Highlights<br />
Das Feld (Abb. II.25) wurde nach mehreren Kriterien<br />
ausgewählt. Zunächst einmal sollte es hinreichend groß<br />
sein, um über Inhomogenitäten im Universum (Galaxienhaufen)<br />
gemittelte Aussagen zu liefern. Gleichzeitig<br />
wurde es nach bereits erfolgten Himmelsdurchmusterungen<br />
ausgerichtet. Zunächst deckt GEMS wie bereits<br />
erwähnt das Feld von COMBO-17 ab (unterlegte Himmelsaufnahme<br />
in Abb. II.25). Mit grünlichen Feldern ist<br />
weiterhin das Himmelsfeld der GOODS-Durchmusterung<br />
(Great Observatories Origins Deep Survey) gekennzeichnet.<br />
Diese Durchmusterung wurde ebenfalls mit<br />
der ACS-Kamera an Bord von HUBBLE ausgeführt. Sie<br />
umfasst ein kleineres Gebiet als GEMS, geht jedoch<br />
tiefer. Das grün umrandete Areal soll demnächst im<br />
Infraroten mit dem Weltraumteleskop Spitzer (ehemals<br />
SIRTF) beobachtet werden. Schließlich liegt das GEMS-<br />
Feld innerhalb des CHANDRA Deep Field South, das mit<br />
dem Weltraumteleskop CHANDRA mit 278 Stunden Belichtungszeit<br />
im Röntgenbereich aufgenommen wurde.<br />
Das rot umrandete Feld (oben links) zeigt das HUBBLE<br />
Deep Field zum Größenvergleich.<br />
Somit bietet dieses Areal einzigartige Forschungsmöglichkeiten,<br />
um die Eigenschaften der Galaxien vom<br />
Röntgenbereich bis zum Infraroten zu ermitteln und deren<br />
vergangene Entwicklung während Jahrmilliarden zu<br />
erforschen. Die GEMS-Aufnahme zeigt mehr als 40 000<br />
Galaxien in einzigartiger Schärfe (Abb. II.26 und II.27).<br />
Die Auflösung beträgt in den beiden Farbbereichen<br />
Abb. II.27: Dieser Ausschnitt aus dem GEMS-Feld zeigt zwei eindrucksvolle<br />
Paare wechselwirkender Galaxien. Ein drittes Paar<br />
ist in weit größerer Entfernung erkennbar.<br />
0.055 bzw. 0.077 Bogensekunden. Im Bild einer Galaxie<br />
mit einer Rotverschiebung z = 0.75 lassen sich so noch<br />
Details von 500 bzw. 700 pc (1600 Lj bzw. 2300 Lj) erkennen.<br />
Damit sind große Sternentstehungsgebiete und<br />
andere typische Strukturen, deren Ausdehnung wenige<br />
kpc beträgt, deutlich sichtbar.<br />
Die hoch aufgelösten Bilder der Galaxien im GEMS-<br />
Feld gewinnen erst durch die Kombination mit den<br />
spektralen Daten der COMBO-17-Durchmusterung ihre<br />
einzigartige Aussagekraft. In einem ersten Schritt gelang<br />
es wie erhofft, insgesamt fast 10 000 Galaxien aus dem<br />
GEMS-Feld mit Objekten im Katalog der COMBO-17-<br />
Durchmusterung zu identifizieren. Damit war deren<br />
Rotverschiebung (und somit deren Entfernung) genau<br />
bekannt.<br />
Die Rotverschiebung ist auch deswegen von so großer<br />
Bedeutung, weil sich durch sie spektrale Eigenschaften<br />
(Farben) zu größeren Wellenlängen hin verschieben. Mit<br />
Kenntnis der Rotverschiebung lassen sich alle Farbwerte<br />
in das Ruhesystem der jeweiligen Galaxie transformieren,<br />
und erst damit werden die Galaxien miteinander<br />
vergleichbar. Schließlich will man die Galaxien im jungen<br />
Universum mit denen im heutigen vergleichen. Zur<br />
Charakterisierung der Galaxien im heutigen Universum<br />
wurden die Daten des Sloan Digital Sky Survey (SDSS)<br />
herangezogen – auch an dieser Durchmusterung ist das<br />
<strong>MPIA</strong> beteiligt [3].<br />
Damit wurden die Voraussetzungen geschaffen, um<br />
die GEMS-Aufnahme in Hinblick auf die Entwicklung<br />
der Galaxien auszuwerten. Die Entwicklung einzelner<br />
Objekte ist zwar nicht direkt beobachtbar, da sie<br />
sich im Laufe von Jahrmillionen abspielt. Aber die<br />
Entwicklung der Galaxienpopulation lässt sich aus<br />
den Daten ableiten, da man die Eigenschaften vieler<br />
Galaxien bei verschiedenen Rotverschiebungen und<br />
damit in verschiedenen Epochen statistisch vergleichen<br />
kann. Um die Galaxienpopulation zu beschreiben, wird<br />
die Häufigkeit von Galaxien in Abhängigkeit von bestimmten<br />
Grundgrößen wie Leuchtkraft, Farbe, Größe<br />
oder morphologischen Merkmalen ermittelt.<br />
Mit GEMS/COMBO-17 liegt zum ersten Mal eine<br />
Stichprobe vor, die mit 10 000 Galaxien hinreichend<br />
groß ist, um Aussagen abzuleiten, die sich auf das halbe<br />
Alter des Universums in der Vergangenheit beziehen.<br />
Ein erstes Ergebnis, das die Entwicklung massereicher<br />
Galaxien betrifft, wird im folgenden Abschnitt dargestellt.<br />
(E. F. Bell, H.-W. Rix, M. Barden, A. Borch, B.<br />
Häußler, K. Meisenheimer; beteiligte <strong>Institut</strong>e:<br />
Astrophysikalisches <strong>Institut</strong> Potsdam, Space<br />
Telescope Science <strong>Institut</strong>e, Baltimore, University of<br />
Massachusetts, USA, University of Arizona, USA,<br />
University of Oxford, UK.)
II.6 Ursprung und Entwicklung massereicher Galaxien<br />
Forscher des <strong>MPIA</strong> verfügen mit den im vorigen Kapitel<br />
beschriebenen Surveys COMBO-17 und GEMS über einen<br />
einzigartigen Satz astronomischer Daten, mit denen<br />
sich die Entwicklung der Galaxien während der vergangenen<br />
neun Milliarden Jahre rekonstruieren lässt.<br />
Die große darin enthaltene Galaxienzahl und das weite<br />
Himmelsareal ermöglichen Studien mit bislang unerreichter<br />
statistischer Aussagekraft. Im Berichtsjahr<br />
gelang es, einen wichtigen Aspekt des hierarchischen<br />
Szenarios der Galaxienentstehung zu bestätigen.<br />
Hiernach wuchsen die massereichsten Galaxien, vorwiegend<br />
die elliptischen Galaxien, erst in den letzten<br />
sieben Milliarden Jahren zu ihrer heutigen Größe an.<br />
Dies geschah hauptsächlich dadurch, dass kleinere<br />
Galaxien miteinander verschmolzen.<br />
Im Rahmen des hierarchischen Modells sollten Galaxien<br />
dieser Typen in den vergangenen acht Milliarden<br />
Jahren (Rotverschiebungen z < 1) weiter angewachsen<br />
sein. Diese Vorhersage überprüften Astronomen des<br />
<strong>MPIA</strong> bereits im Jahr 2002. Das zentrale Ergebnis lautete<br />
damals: Im frühen Universum trugen die irregulären<br />
und Starburst-Galaxien mit intensiver Sternentstehung<br />
80 % der Leuchtkraftdichte im blauen Spektralbereich<br />
( )<br />
j B<br />
lg<br />
h L Mpc –3<br />
8.6<br />
8.4<br />
8.2<br />
8.0<br />
7.8<br />
7.6<br />
7.4<br />
z f = 2<br />
z f = 3<br />
z f = 5<br />
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2<br />
z<br />
Abb. II.28: Entwicklung der Leuchtkraftdichte roter Galaxien im<br />
blauen Spektralbereich. Die Werte weichen bei hohem z (in frühen<br />
Epochen) stark von Modellrechnungen ab, nach denen die<br />
Galaxien bei hohen Rotverschiebungen (z o = 2, 3, 5) entstanden<br />
sind und danach ohne weitere Wechselwirkung langsam alterten.<br />
Dagegen bestätigen sie ein semianalytisches Modell einer<br />
hierarchischen Galaxienbildung in mehreren Schritten.<br />
bei. Im Laufe der Zeit haben sich die relativen Anteile<br />
jedoch wesentlich verschoben: Heute tragen diese Galaxientypen<br />
nur noch etwa 20 % der Leuchtkraftdichte<br />
bei, während die elliptischen und frühen Spiralgalaxien<br />
dominieren.<br />
Dieses Ergebnis unterstützt zwar das hierarchische<br />
Szenario, lässt sich prinzipiell aber auch durch die<br />
Alterung der Sternpopulationen in den Galaxien und<br />
eine Rötung durch Staub erklären. Deshalb gingen die<br />
Astronomen die Frage nach der Galaxienentwicklung<br />
von einer anderen Seite an. Sie machten sich den Beobachtungsbefund<br />
zu Nutze, dass sich die Galaxien grob<br />
in zwei Gruppen unterteilen lassen: rot erscheinende<br />
Galaxien, welche die frühen Typen (E-, S 0 - und S a -<br />
Galaxien) ohne intensive Sternentstehung beinhalten,<br />
und blaue Galaxien, zu denen vor allem Starburst- und<br />
Spiralgalaxien vom Typ S b und S c zählen. Darüber hinaus<br />
besteht eine interessante Relation: Mit zunehmender<br />
Leuchtkraft erscheinen die Galaxien immer röter. Dies<br />
lässt sich damit erklären, dass mit steigendem Alter die<br />
Masse der Galaxien und der Anteil der in ihnen enthaltenen<br />
schweren Elemente zunimmt.<br />
In der jüngsten Studie untersuchten die Astronomen<br />
gezielt die Entwicklung der roten Galaxien frühen Typs<br />
in Abhängigkeit von der Rotverschiebung (und damit<br />
von der Zeit). Sie stellten fest, dass sich die Farben der<br />
Galaxien im Laufe der Zeit verändern. Die Daten passen<br />
sehr gut zu der Vorstellung, dass die Sternpopulation<br />
sich selbst überlassen altert. Ein solches Altern lässt<br />
aber auch erwarten, dass die Leuchtkraft der einzelnen<br />
Galaxien und damit auch die der gesamten Population<br />
nachlässt.<br />
Im Gegensatz zu dieser Erwartung stellten die Forscher<br />
fest: Die Leuchtkraft im Blauen blieb innerhalb eines<br />
Einheitsvolumens in den vergangenen acht Milliarden<br />
Jahren (z < 1) etwa konstant (Abb. II.28). Dieser Befund<br />
widerspricht solchen Modellen, nach denen sich die<br />
großen Galaxien im jungen Universum monolithisch<br />
(»auf einen Schlag«) gebildet haben und dann im Laufe<br />
der Jahrmilliarden einfach gealtert sind (gestrichelte<br />
Kurven in Abb. II.28). Nimmt man aber an, dass sich<br />
die Anzahl der Sterne und ihre Gesamtmasse innerhalb<br />
der leuchtkräftigen roten Galaxien während des betrachteten<br />
Zeitraums etwa verdoppelt hat, so erhält man eine<br />
gute Übereinstimmung mit den Beobachtungen. Diese<br />
Annahme passt gut zu den Vorhersagen der hierarchischen<br />
Modelle, wonach die leuchtkräftigen Galaxien im<br />
Laufe der Zeit durch Verschmelzung kleinerer Galaxien<br />
entstanden sind.<br />
Die Analyse der drei Beobachtungsfelder von COMBO-<br />
17 hat allerdings auch gezeigt, dass Inhomogenitäten<br />
aufgrund der großräumigen Struktur des Universums<br />
45
46 II Highlights<br />
die Gültigkeit der Aussagen erheblich einschränken.<br />
Zukünftig muss es daher das Ziel sein, in möglichst vielen,<br />
großen Himmelsfeldern bis zu großen Rotverschiebungen<br />
vorzudringen.<br />
Diese Ergebnisse zeigen damit erstmalig, dass die<br />
Sterne in den Galaxien zwar passiv altern, dass sich aber<br />
die Population massereicher Galaxien durch hierarchisches<br />
Verschmelzen weiter entwickelt. Einige Fragen<br />
bleiben offen, insbesondere die nach der Natur der roten<br />
Galaxien. Bei relativ nahen Galaxien ist erkennbar,<br />
dass es sich wie beschrieben um Systeme mit überwie-<br />
U – V (rest – frame) [mag]<br />
U – V (rest – frame) [mag]<br />
2<br />
1<br />
0<br />
2<br />
1<br />
0<br />
a) SDSS z 0; automatisch<br />
–22 –20 –18<br />
M V – 5 lg 10 h [mag]<br />
c) GEMS 0.65 z 0.75; visuell<br />
gend alten und somit roten Sternen handelt. Bei weiter<br />
entfernten Galaxien, die keine Details mehr erkennen<br />
lassen, könnten aber auch große Staubmengen <strong>für</strong> die<br />
Rötung verantwortlich sein.<br />
U – V (rest – frame) [mag]<br />
–22 –20 –18<br />
M V – 5 lg 10 h [mag]<br />
Abb. II.29: Die Farbe U–V von Galaxien unterschiedlichen Typs<br />
im heutigen Universum a) und bei Rotverschiebungen um z = 0.7<br />
(b) automatische Klassifizierung; c) visuelle Klassifizierung).<br />
Blaue Sterne: irreguläre und wechwelwirkende Systeme; grün:<br />
Spiralgalaxien. Die Farbwerte gelten <strong>für</strong> das Ruhesystem der<br />
Galaxien.<br />
2<br />
1<br />
0<br />
Anzahl<br />
80<br />
40<br />
b) GEMS 0.65 z 0.75; automatisch<br />
–22 –20 –18<br />
M V – 5 lg 10 h [mag]<br />
0<br />
0 2 4 6 8<br />
n
Auf der GEMS-Aufnahme wurden mit Hilfe der COM-<br />
BO-17-Daten rund 1500 Galaxien im Rotverschiebungsbereich<br />
0.65 < z < 0.75 identifiziert und deren Morphologie<br />
bestimmt. Auf diese Weise ließ sich an Hand einer statistisch<br />
signifikanten Menge prüfen, ob sich die Morphologie<br />
der Galaxien frühen Typs im Laufe der Zeit bis heute<br />
verändert hat. Insbesondere sollte die mögliche Rolle<br />
des Staubes bei der Rötung der Galaxien untersucht<br />
werden. Die morphologische Klassifikation erfolgte<br />
zum einen automatisch mit einer speziellen Software<br />
und zum anderen visuell am Bildschirm. Die Ergebnisse<br />
waren sehr ähnlich, wie Abb. II.29 zeigt. Blaue Punkte<br />
kennzeichnen späte, rote Punkte frühe morphologische<br />
Galaxientypen. Die rote Linie gibt einen Fit <strong>für</strong> die<br />
roten Galaxien an, die blaue Linie trennt blaue von<br />
roten Galaxien. Die Zusammenstellung ausgewählter<br />
Galaxien unten rechts zeigt visuell klassifizierte E- und<br />
S 0 -Galaxien (oberste drei Reihen), S a - bis S m -Galaxien<br />
(mittlere zwei Reihen) und wechselwirkende, irreguläre<br />
Galaxien (unterste Reihe).<br />
Von den roten Galaxien wurden visuell 85 % als frühe<br />
E-, S 0 - und S a -Galaxien eingestuft, die Software kam auf<br />
78 %. Diese Werte sind im Rahmen der Ungenauigkeiten<br />
identisch mit denen im heutigen Universum, wie sie aus<br />
II.6 Ursprung und Entwicklung massereicher Galaxien. 47<br />
dem Sloan Digital Sky Survey ermittelt wurden. Hier<br />
liegt der Wert bei 82 %. Bei den übrigen roten Galaxien<br />
um z = 0.7 handelt es sich um stark gegen die Sichtlinie<br />
geneigte Spiralgalaxien (8 %) und wechselwirkende,<br />
irreguläre Systeme (5 %, vgl. Abb. III.19 c). Damit können<br />
höchstens 13 % der roten Galaxien, wahrscheinlich<br />
aber weit weniger, durch Staub gerötet sein.<br />
Das wesentliche Ergebnis lautet also: Schon vor etwa<br />
sechs Milliarden Jahren (z = 0.7) war die Sternentstehung<br />
in den massereichsten Galaxien abgeschlossen. Hierarchische<br />
Modelle sagen vorher, dass in Gebieten hoher<br />
Galaxiendichte die Entwicklung der Galaxien früh anfängt<br />
und zu massereichen Galaxien führt. Warum die<br />
Entwicklung aber bereits so früh abgeschlossen war,<br />
können die Modelle gegenwärtig nicht erklären.<br />
(E. F. Bell, K. Meisenheimer, H.-W. Rix, A. Borch,<br />
B. Häussler; beteiligte <strong>Institut</strong>e: Universität Bonn;<br />
Astrophysikalisches <strong>Institut</strong> Potsdam; University of<br />
Oxford, Oxford, UK; Imperial College, London, UK;<br />
University of Massachusetts, Amherst, USA; Space<br />
Telescope Science <strong>Institut</strong>e, Baltimore, USA; University<br />
of Arizona, Tucson, USA)
48<br />
III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
III.1 Massereiche Sterne – Entstehung und Frühstadien<br />
Der enorme Einfluss, den massereiche Sterne auf<br />
ihre Umgebung ausüben, beeinträchtigt sogar die<br />
Entwick-lung ganzer Galaxien. Er zeigt sich am stärksten<br />
während ihrer Entstehung in Molekülwolken und<br />
bei ihrem Tod als Supernovae. In diesem Abschnitt<br />
geben wir eine Zusammenfassung der gegenwärtigen<br />
Forschung am <strong>MPIA</strong> über die Entstehung dieser<br />
faszinierenden Objekte. Wir betrachten, wie diese<br />
Erkenntnisse erlangt wurden und wie sie mit Hilfe<br />
neuester Beobachtungsmethoden erweitert werden<br />
können.<br />
Massereiche Sterne beherrschen das optische Erscheinungsbild<br />
der Galaxien. Im Ferninfrarotspektralbereich<br />
können die leuchtkräftigsten galaktischen Punktquellen<br />
mit OB-Sternen identifiziert werden, die an ihren Geburtsstätten<br />
tief in Gas und Staub eingebettet sind. Wie<br />
dramatisch die Auswirkungen der Entstehung massereicher<br />
Sterne sein können, erkennt man am besten<br />
in Starburst-Galaxien, deren Struktur völlig durch die<br />
nahezu explosionsartige Bildung von zahlreichen OB-<br />
Sternen bestimmt wird.<br />
Anders als die sonnenähnlichen Sterne, haben massereiche<br />
Sterne den weitaus größten Anteil an der stellaren<br />
Einspeisung von Energie und Impuls in das interstellare<br />
Medium. So ist zum Beispiel die von einem Hauptreihenstern<br />
des Spektraltyps O3 (Leuchtkraft ≈ 10 6 L ) abgegebene<br />
UV-Strahlung noch in einer Entfernung von<br />
mehreren Lichtjahren um das Tausendfache höher als die<br />
des interstellaren Strahlungsfeldes in der Umgebung der<br />
Sonne. Sternwinde von O-Sternen können mechanische<br />
Energieraten von einem Prozent der Sternleuchtkraft<br />
erreichen. Und schließlich geben massereiche Sterne<br />
am Ende ihres Lebens bei einer Supernova-Explosion<br />
10 44 Ws Energie in Form von Strahlung an das interstellare<br />
Medium ab. Die kinetische Energie der ausgeschleuderten<br />
Gasmassen kann diesen Wert um das<br />
Zehnfache übersteigen, während die Energiemenge, die<br />
von Neutrinos pro Sekunde abgeführt wird, sogar das<br />
Hundertfache erreicht und im Moment der Explosion<br />
der normalen Energieabgabe aller Sterne im gesamten<br />
Universum entspricht. Während einer ausbruchartig vermehrten<br />
Entstehung von massereichen Sternen kann das<br />
interstellare Medium einer Galaxie durch die starke UV-<br />
Strahlung der Sterne aufgeheizt werden, was letztlich<br />
sogar die großräumige Sternentstehung zum Erliegen<br />
bringen kann.<br />
Während ihrer Entstehung können massereiche Sterne<br />
<strong>für</strong> ihre Nachbarn recht »unangenehm« werden. Einerseits<br />
ionisiert und verdampft ihre Strahlung die Gas-<br />
und Staubscheiben um nahegelegene massearme Sterne<br />
sowie kleinere Dunkelwolken. Andererseits kann ihre<br />
Geburt zur Kompression von Molekülwolken führen und<br />
so eine neue Runde der Sternentstehung in Gang setzen.<br />
Betrachtet man die chemische Entwicklung einer Galaxie,<br />
so sind es wiederum die massereichen Sterne, die<br />
diese Entwicklung beherrschen, indem sie das Gas mit<br />
schweren Elementen anreichern, deren Häufigkeiten von<br />
entscheidender Bedeutung <strong>für</strong> die Heiz- und Kühlprozesse<br />
im interstellaren Medium sind.<br />
Nachdem wir die Bedeutung massereicher Sterne <strong>für</strong><br />
ihre Umgebung und <strong>für</strong> ganze Galaxien erörtert haben,<br />
stellt sich nun die Frage: Von welcher Masse an wird<br />
ein Stern massereich genannt? Die untere Massengrenze<br />
kann recht gut auf 8 – 10 Sonnenmassen festgesetzt werden<br />
(d. h. Hauptreihensterne früher als der Spektraltyp<br />
B3). Nur Sterne mit mindestens dieser Masse sind in<br />
der Lage, genügend UV-Photonen zu produzieren, um<br />
die umgebenden Gase zu ionisieren, Überschallwinde zu<br />
erzeugen und schließlich als Supernovae zu explodieren.<br />
Außerdem weiß man, dass neu entstehende massereiche<br />
Sterne noch tief in ihren Mutter-Molekülwolken eingebettet<br />
sind, weil ihre Akkretionsphase länger andauert<br />
als ihre Kontraktionsperiode. Deshalb beobachtet man<br />
keine optisch sichtbaren massereichen Vorhauptreihensterne.<br />
Das steht in scharfem Gegensatz zu massearmen<br />
Vorhauptreihensternen – den so genannten T-Tauri-Sternen<br />
– und zu jenen im mittleren Massenbereich – den<br />
Herbig-Ae/Be-Sternen.<br />
Das Hauptinteresse der Arbeitsgruppe »Planeten- und<br />
Sternentstehung« am <strong>MPIA</strong> gilt der Art und Weise, wie<br />
sich diese Sterne bilden: Die Entstehung massereicher<br />
Sterne stellt eines der größten astrophysikalischen Probleme<br />
dar, das trotz der entscheidenden Rolle dieser<br />
Sterne bei der Entwicklung von Galaxien noch immer<br />
nicht gelöst ist. Die Schlüsselfrage lautet, wie es diesen<br />
Sternen gelingt, derart viel Materie während ihres<br />
Geburtsprozesses anzusammeln. Selbst während die<br />
Akkretion noch im Gange ist, weisen sie bereits sehr hohe<br />
Leuchtkräfte auf. In der Tat haben Modellrechnungen des<br />
Akkretionsprozesses solcher Objekte gezeigt, dass der<br />
Strahlungsdruck auf die einfallenden Staubteilchen und<br />
die vorherrschende Kopplung zwischen Staubkörnern<br />
und Gasmolekülen den Masseneinfall stoppen oder so-
gar umkehren können. Dies tritt oberhalb eines kritischen<br />
Verhältnisses von Leuchtkraft zu Masse von etwa<br />
700 L /M auf – was bei sehr jungen massereichen<br />
Sternen leicht erreicht wird. Die Bildung massereicher<br />
Sterne durch sphärisch-symmetrischen Masseneinfall<br />
erscheint daher unmöglich, es sei denn die optischen<br />
Eigenschaften der Staubkörner in den dichten Kernen der<br />
Molekülwolken unterscheiden sich grundlegend von denen<br />
im interstellaren Medium und in Entstehungsgebieten<br />
massearmer Sterne.<br />
Wenn jedoch das Material aus einer zirkumstellaren<br />
Scheibe angesammelt wird – wie man schon seit einer<br />
ganze Weile annimmt –, dann verschwindet dieses Dilemma.<br />
Der Grund da<strong>für</strong> ist, dass durch die Gegenwart<br />
einer Scheibe ein hoch anisotropes Strahlungsfeld gebildet<br />
wird, mit unterschiedlichen Energieflüssen parallel<br />
und senkrecht zur Scheibenachse. Den ersten<br />
Hinweis auf solche Akkretionsscheiben glaubte man in<br />
der bipolaren Gestalt der ionisierten Gebiete um einige<br />
wohlbekannte massereiche junge Sterne, wie S 106,<br />
gefunden zu haben. Vor etwa zehn Jahren stellte man jedoch<br />
fest, dass diese Gebiete gewöhnlich sehr komplex<br />
sind und dass Staubfilamente – die nicht unbedingt mit<br />
Helligkeitstemperatur T [K]<br />
a<br />
Dec (J2000)<br />
30<br />
51:00<br />
30<br />
51:50:00<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
–0.5<br />
–1<br />
1 pc<br />
III.1 Massereiche Sterne – Entstehung und Frühstadien. 49<br />
einer Akkretionsscheibe in Verbindung stehen – in der<br />
Nachbarschaft der jungen massereichen Sterne häufig<br />
das Erscheinungsbild der unmittelbaren Umgebung des<br />
Sterns bestimmen. Doch die jüngste Entdeckung sehr<br />
energiereicher und massereicher Molekülströmungen,<br />
die wahrscheinlich mit dem Akkretionsprozess verknüpft<br />
sind, stützt wiederum die Vorstellung von Akkretionsscheiben<br />
um massereiche Sterne.<br />
Eine alternative Theorie zur Erklärung der Entstehung<br />
massereicher Sterne beruht auf der Verschmelzung massearmer<br />
Sterne. Das »Verschmelzungs-Szenario« schlägt<br />
vor, dass Gezeitenreibung in engen Doppelsternsystemen<br />
und dichten Haufen mehrere massearme Sterne zu Sternen<br />
hoher Masse verbindet. Das Hauptproblem bei<br />
diesem Szenario ist die Vorhersage einer kopflastigen<br />
»Anfangsmassenverteilungsfunktion« (IMF), die in »normalen«<br />
Haufen nicht beobachtet wird, die aber mögli-<br />
SMM1<br />
4:22:40 38 36 34 32 30 28 26 24<br />
RA (J2000)<br />
c b<br />
0.4<br />
HCO + (3–2)<br />
N2H + (1–0)<br />
C18O(2–1) –50 –40 –30 –20<br />
Geschwindigkeit [km/s]<br />
Helligkeitstemperatur T MB [K]<br />
Abb. III.1: Die bei einer Wellenlänge von 450 µm aufgenommene<br />
Karte des neu entdeckten Entstehungsgebietes massereicher<br />
Sterne ISOSS J 04225+5150, auf der drei kompakte<br />
Staubkonzentrationen zu sehen sind. (SCUBA-Bolometer,<br />
JCMT)<br />
0.2<br />
0<br />
–0.2<br />
NH 3 (1,1)<br />
NH 3 (2,2)<br />
–60 –40 –20<br />
Geschwindigkeit [km/s]
50 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
cherweise in Starburst-Haufen vorliegt (vgl. Kap. II.1).<br />
Das Verschmelzungskonzept mag bei der Bildung massereicher<br />
Sterne in sehr dichten Haufen trotzdem noch eine<br />
Rolle spielen, aber Anzeichen wie die allgegenwärtigen<br />
Abströmungen sprechen <strong>für</strong> die Gültigkeit eines herkömmlichen<br />
Akkretions-Szenario in weniger extremen<br />
galaktischen Umgebungen.<br />
Die Frühstadien der Entwicklung<br />
Kalte Kerne<br />
Die allerfrüheste Phase der Sternentstehung ist der<br />
Kollaps einer Molekülwolke zu einem protostellaren Objekt.<br />
Diese Objekte sind ziemlich kalt und bei nahen oder<br />
mittleren Infrarotwellenlängen nicht beobachtbar.<br />
Das beste Hilfsmittel zum Aufspüren solch kalter und<br />
massereicher Molekülwolkenkerne ist eine von systematischen<br />
Fehlern freie, große Durchmusterung bei<br />
Ferninfrarot- und Submillimeterwellenlängen. Mit mehr<br />
als 15 Prozent Himmelsabdeckung ist der ISOPHOT 170<br />
µm Serendipity Survey (ISOSS) gegenwärtig die größte<br />
Durchmusterung, die jenseits des IRAS-100-µm-Bandes<br />
bei hoher räumlicher Auflösung durchgeführt wird.<br />
Bei dieser Durchmusterung sind bislang mehr als 50<br />
Objekte mit Massen von 10 2 – 10 4 M und bolometrischen<br />
Leuchtkräften von 10 3 – 3 10 4 L identifiziert<br />
Dec (1950)<br />
–12°1000<br />
–12°1500<br />
–12°2000<br />
l = 850 µm<br />
IRAS 07029 –1215<br />
7h03m00s 40s RA (1950)<br />
worden. Obwohl die meisten Objekte in Entfernungen<br />
zwischen 2 kpc und 6 kpc liegen, konnten nachfolgende<br />
hochaufgelöste Submillimeter-Kontinuumskarten bei<br />
450 µm, 850 µm und 1200 µm (aufgenommen mit Bolometerkameras<br />
am James-Clerk-<strong>Max</strong>well-Telescope auf<br />
Mauna Kea und am IRAM 30-m-Teleskop auf dem<br />
Pico Veleta) die Staubemission in diesen Regionen tatsächlich<br />
auflösen (siehe Abb. III.1). Beobachtungen<br />
der Linienemission von Ammoniak-Molekülen (durchgeführt<br />
am Very Large Array in New Mexico und am<br />
100-m-Radioteleskop in Effelsberg, Abb. III.2) in den<br />
Zielobjekten bestätigten, dass das dichte Gas und der<br />
Staub die erwartet niedrigen Temperaturen von etwa 12<br />
K haben. Auch die Linienprofile weisen darauf hin, dass<br />
in einigen dieser Objekte der protostellare Kollaps bereits<br />
begonnen hat (siehe das inverse P-Cygni-Profil der<br />
Spektrallinie von HCO + in Abb. III.1). Tiefe JHK-Bilder,<br />
die mit der neuen Weitfeldkamera OMEGA 2000 am 3.5m-Teleskop<br />
auf dem Calar Alto gewonnen wurden, zeigen<br />
bei einer Reihe von Quellen assoziierte massearme<br />
Haufen, die darauf hinweisen, dass in der Umgebung<br />
der kalten Kerne bereits aktive Sternentstehung einge-<br />
Abb. III.2: Die Ferninfrarotquelle IRAS 07029-1215 und der am<br />
Rand der Molekülwolke entdeckte kalte Kern. Das Teilbild<br />
rechts unten zeigt in blauen und roten Umrissen die beiden<br />
Flügel der Abströmung, die von einer Quelle ausgeht, <strong>für</strong> die im<br />
IR kein Gegenstück nachgewiesen werden konnte.<br />
[0,0]<br />
20<br />
10<br />
T A * [ K]<br />
[0, –20]<br />
0<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
–10 0 10 20 30 vlsr [km/s]<br />
CO J = 3→ 2<br />
2MASS K<br />
40<br />
20<br />
0<br />
–20<br />
–40<br />
40 20 0 –20 –40
setzt hat. Während die Tatsache, dass auf unseren tiefen<br />
K-Band-Aufnahmen am Ort der Kernzentren keinerlei<br />
Gegenstücke nachgewiesen werden konnten, beweist,<br />
dass sich das Objekt noch nicht in einem entwickelteren<br />
Stadium befindet.<br />
Eine weitere Durchmusterung nach Kandidaten <strong>für</strong><br />
neu entstehende massereiche Sterne wurde mit Hilfe der<br />
SCUBA- und IRAM-Bolometer in der Nachbarschaft heller<br />
IRAS-Quellen durchgeführt. Diese Beobachtungen im<br />
Millimeterbereich spürten ein besonders interessantes<br />
Objekt auf (Abb. III.2): In der Nähe von IRAS 07029-<br />
1215, einem Objekt mit einer Leuchtkraft von 1700 L <br />
und einer Entfernung von 1 kpc, wurde ein tief eingebettetes<br />
Objekt entdeckt. Dieses Objekt scheint sich in<br />
einer besonders frühen Entwicklungsphase zu befinden,<br />
da es im nahen oder mittleren Infrarotbereich nicht nachweisbar<br />
ist. Dennoch treibt es bereits eine sehr schnelle<br />
bipolare CO-Abströmung an, die eine Gesamtmasse von<br />
M Abströmung = 5.4 M hat. Massenabschätzungen und<br />
nachfolgende empirische Beziehungen sowie Betrachtungen<br />
der spektralen Energieverteilung deuten darauf<br />
hin, dass es sich bei dem Objekt um einen jungen B-<br />
Stern handelt, umgeben von einer Hülle mit 30 – 40<br />
M .<br />
Heiße Kerne<br />
Das nächste Stadium in der Entwicklung eines massereichen<br />
Sterns in Richtung zur Hauptreihe ist die so genannte<br />
Phase des heißen Kerns. Hierbei liegen massereiche<br />
Sterne in dichten Kernen von Molekülwolken und<br />
sind wegen der hohen Extinktion weder im Optischen<br />
noch im nahen Infrarot (NIR) zu sehen, wohl aber im<br />
mittleren Infrarotspektralbereich. Diese Kerne werden<br />
jedoch von den eingebetteten oder benachbarten massereichen<br />
Sternen auf Temperaturen zwischen 100 und<br />
200 Kelvin aufgeheizt und bilden so etwa 0.1 pc (0.3<br />
Lichtjahre) große »heiße Kerne« mit einer molekularen<br />
Wasserstoffdichte von 10 7 Teilchen pro cm 3 . Typischerweise<br />
sind die Objekte in dieser Phase noch nicht von<br />
größeren Mengen ionisierten Wasserstoffs umgeben.<br />
Die Bildung von HII-Regionen wird möglicherweise<br />
durch die hohe Materieeinfallrate unterdrückt. Dies bedeutet<br />
auch, dass die jüngsten massereichen Sterne nur<br />
im thermischen Infrarot (IR) beobachtbar sind, während<br />
sie aufgrund des fehlenden Plasmas in ihrer Umgebung<br />
keine Radio-Kontinuumsstrahlung aussenden. Wie in<br />
Abb. III.3 zu sehen, wurde bei Beobachtungen der ultrakompakten<br />
HII-Region G10.47+0.03 im mittleren<br />
Infrarot (MIR), durchgeführt mit dem Instrument TIMMI-<br />
2 am 3.6-m-Teleskop der ESO auf La Silla, nahe der<br />
Position von drei ultrakompakten HII-Regionen eine<br />
MIR-Quelle entdeckt, <strong>für</strong> die es kein NIR-Gegenstück<br />
gibt. Während man zunächst glaubte, dass es sich dabei<br />
um einen jungen heißen Kern handeln könnte, ergab<br />
eine genauere Untersuchung, dass sie zu einer anderen<br />
III.1 Massereiche Sterne – Entstehung und Frühstadien 51<br />
B1<br />
B2<br />
Klasse heißer Kerne gehört: Sie wird nicht von innen<br />
aufgeheizt, sondern durch drei angrenzende ultrakompakte<br />
HII-Regionen.<br />
Ultrakompakte HII-Regionen<br />
Während der nächsten Entwicklungsphase massereicher<br />
Sterne – die sich nun sehr nahe oder auf der<br />
Anfangshauptreihe befinden – bilden sich um die jungen<br />
Sterne »ultrakompakte HII-Regionen« (UCHIIs).<br />
In diesen etwa 0.1 pc großen ionisierten Gebieten mit<br />
Elektronendichten von rund 10 5 pro cm 3 senden im<br />
Plasma abgebremste Elektronen starke Radiostrahlung<br />
aus (Frei-frei-Strahlung). Daher können diese Objekte in<br />
Radiokontinuum-Durchmusterungen gefunden werden.<br />
Diese sehr kompakten Objekte haben eine Lebenszeit<br />
von etwa einer Million Jahre (siehe unten). Schließlich<br />
dehnen sich die Regionen mit ionisiertem Wasserstoff<br />
aus und bilden »kompakte HII-Regionen« mit 0.5 pc<br />
Durchmesser und Elektronendichten bis zu 1000 Elektronen<br />
pro cm 3 . Diese wiederum entwickeln sich weiter<br />
zu »diffusen HII-Regionen«, die uns z. B. in Form des<br />
Orion-Nebels wohlbekannt sind.<br />
Die UCHII-Regionen sind häufig selbst wiederum<br />
in komplexe Regionen eingebettet, wie zum Beispiel<br />
IRAS 09002-4732, die in Abb. III.4 zu sehen ist. Die<br />
Aufnahmen, die auf ISAAC-Beobachtungen am VLT<br />
zwischen 1 µm und 5 µm beruht, zeigt einen überwältigenden<br />
Blick in das Gebiet, das von einer bipolaren Nebelstruktur<br />
und mehr als tausend vom Staub geröteten<br />
A<br />
1.3 cm<br />
11.9 µm<br />
NH 3 2.16 µm<br />
Abb. III.3: Überlagerung einer TIMMI-2-Aufnahme bei 11.9 µm<br />
(dargestellt als gestrichelter roter Umriss) und einer ISAAC-<br />
Aufnahme (Grauskala) bei 2.16 µm. Die weißen Umrisse deuten<br />
die drei bei 1.3 cm entdeckten Komponenten A, B1 und B2<br />
der ultrakompakten HII-Region G10.47+0.03 an.<br />
2
52 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
Sternen beherrscht wird. Bei der näheren Untersuchung<br />
der Aufnahmen entdeckte man einige langgestreckte,<br />
dunkle Filamente, die als lichtschluckende Fäden aus interstellarem<br />
Staub identifiziert wurden. Diese Filamente,<br />
deren Länge das 40-fache ihres Durchmessers erreichen<br />
kann, verlaufen kreuz und quer vor der Nebelstruktur.<br />
Die Aufnahmen werfen mehrere spannende Fragen auf:<br />
Welche Kräfte halten diese Filamente zusammen? Sind<br />
sie die Überreste der Molekülwolke nach heftigen Sternentstehungsepisoden,<br />
oder werden sie im Gegenteil von<br />
neugeborenen Sternen gebildet, die den restlichen umgebenden<br />
Staub zusammenfegen? In den Filamenten sind<br />
einige Knoten hoher Dichte zu erkennen. Dabei könnte<br />
es sich um kurzlebige instabile Dichtefluktuationen<br />
handeln. Vielleicht sind es aber auch gravitativ kollabierende<br />
Globulen und somit die Vorläufer einer nächsten<br />
Sterngeneration. Die Analyse der Nahinfrarotfarben<br />
der Sterne, die in der Nähe des Infrarotmaximums zu<br />
sehen sind (siehe Abb. III.4), deuten darauf hin, dass<br />
viele einen Überschuss an Infrarotstrahlung zeigen. Ein<br />
solcher Überschuss stammt gewöhnlich von heißem<br />
zirkumstellarem Staub, der die jungen Sterne umgibt.<br />
Da die zirkumstellare Materie relativ kurzlebig ist, ist<br />
klar, dass diese jungen Sterne Teil des sternbildenden<br />
Komplexes sind.<br />
Die lange Lebensdauer der ultrakompakten HII-Regionen,<br />
die aus ihrer großen Anzahl – etwa 1500 derartige<br />
Objekte sind in der Milchstraße bekannt – geschlossen<br />
Abb. III.4: Eine Echtfarbenaufnahme von G 268; die Strahlung<br />
im J-Band (1.2 µm) ist blau kodiert, die Strahlung im H-Band<br />
(1.6 µm) grün und die Strahlung im K-Band (2.2 µm) rot. Der<br />
rote Kreis markiert die Position der ultrakompakten HII-Region<br />
G268.42-0.85.<br />
wird, stellt ein echtes Rätsel dar, da man erwarten würde,<br />
dass sie ihre ultrakompakte Form durch Expansion<br />
innerhalb von ungefähr 10 000 Jahren verlieren. Zur<br />
Lösung diese Problems sind mehrere Szenarien vorgeschlagen<br />
worden: ein »Einspannen« der Regionen<br />
durch verstärkten äußeren Druck, eine Stabilisierung<br />
aufgrund ihrer Bewegung relativ zum umgebenden<br />
interstellaren Medium (wobei sie eine Stoßfront ausbilden),<br />
die Zufuhr von ionisiertem Material durch<br />
Photoverdampfung zirkumstellarer (oder benachbarter)<br />
Scheiben oder Globulen und als letztes eine einseitige<br />
Expansion am Rand der Molekülwolke (»Champagner-<br />
Strömung«).<br />
Ein Hauptproblem beim Unterscheiden dieser Szenarien<br />
besteht darin, dass es sehr schwierig ist, die<br />
Sternpopulation der ultrakompakten HII-Regionen tatsächlich<br />
zu identifizieren. Erst seit etwa acht Jahren<br />
stehen adaptive Optiksysteme (AO) zur Verfügung,<br />
die eine ausreichende räumliche Auflösung bei den<br />
staubdurchdringenden Infrarotwellenlängen (≈ 2 µm)<br />
bieten, um zumindest einen Teil der massereichen<br />
Sternpopulation direkt nachzuweisen und zu identifi-
zieren. Vor dieser Zeit und bei Gebieten, die auch heute<br />
noch nicht <strong>für</strong> AO-Systeme zugänglich sind (weil keine<br />
Leitsterne in der Nähe stehen), wurden und werden<br />
indirekte Methoden angewandt. Diese beinhalten gewöhnlich<br />
eine Abschätzung entweder der gesamten von<br />
IRAS oder dem amerikanischen Infrarotsatelliten MSX<br />
beobachteten Mitt- und Ferninfrarotleuchtkraft oder der<br />
Lyman-Kontinuumsphotonen im Vergleich zur integrierten<br />
Frei-frei-Strahlung, die mit Radiointerferometern im<br />
cm-Wellenlängenbereich beobachtet wird. Diese indirekten<br />
Methoden sind mit starken Problemen belastet:<br />
Gewöhnlich enthalten sie eine Annahme über die Geometrie<br />
der Region. Insbesondere wird stillschweigend<br />
angenommen, dass der oder die massereiche(n) Stern(e)<br />
ungefähr im Zentrum dessen sitzen, was man als ultrakompakte<br />
HII-Region beobachtet. Aus der Folgerung,<br />
dass in einem solchen Fall alle ausgestrahlten Photonen<br />
in Frei-frei-Strahlung und FIR-Strahlung umgewandelt<br />
werden, leitet man dann die Anzahl der ausgestrahlten<br />
Photonen und den Spektraltyp des strahlenden Sterns<br />
ab. Befindet sich jedoch der Stern, der die Strahlung<br />
liefert, nicht im Zentrum oder hat die ionisierte Region<br />
einen inhomogenen Aufbau (beides ist gewöhnlich der<br />
Fall), dann ist die abgeleitete Photonenzahl zu klein. In<br />
Wahrheit werden mehr Photonen benötigt, um die weit<br />
entfernten Regionen und die hellsten Regionen aufzuheizen<br />
und/oder zu ionisieren, als aus den integrierten<br />
Flüssen allein abgeschätzt wird. Ein von unserer Gruppe<br />
veröffentlichter Katalog, in dem die Population massereicher<br />
Sterne innerhalb oder in der Nachbarschaft von neun<br />
ultrakompakten HII-Regionen anhand von NIR-Farben<br />
direkt identifiziert wird, zeigt, dass bei Verwendung der<br />
indirekten Methoden in der Tat die gesamte abgestrahlte<br />
Leuchtkraft der eingebetteten Sternpopulation gewöhnlich<br />
unterschätzt wird (siehe Tabelle). Der Katalog ist das<br />
Ergebnis einer AO-Durchmusterung, die in den Jahren<br />
2000 bis 2002 mit Hilfe der Systeme ALFA (Calar Alto,<br />
Spanien) und ADONIS (La Silla, Chile) an ihren 3.5- beziehungsweise<br />
3.6-m-Teleskopen durchgeführt wurde.<br />
Die Spektraltypen eingebetteter massereicher Sterne, abgeleitet<br />
aus unterschiedlichen Beobachtungen.<br />
Objekt<br />
Sp Typ<br />
(NIR)<br />
> = früher als, < = später als<br />
Sp Typ<br />
(Lyman Kont.)<br />
Sp Typ<br />
(IRAS)<br />
G309.92+0.48 > O6V / OI B0.5V/B0V O6.5V<br />
G351.16+0.70 O6V < B0.5V < B0.5V<br />
G5.89-0.39 O5V O9.5V O7V<br />
G11.11-0.40 O6V < B0.5V B0V<br />
G18.15-0.28 O6V < B0.5V O7V<br />
G61.48+0.09B1 O9I/A0I O9V O8V<br />
G61.48+0.09B2 B0V < B0.5V O8V<br />
G70.28+1.60 O9I/A0I O6.5V > O3V<br />
G77.96-0.01 O8V < B0.5V O9.5V<br />
III.1 Massereiche Sterne – Entstehung und Frühstadien. 53<br />
Eine mögliche Erklärung ist, dass die massereichsten<br />
Sterne im Allgemeinen nicht in den Zentren der ionisierten<br />
Regionen eingebettet sind, sondern in ihrer Nähe.<br />
Folglich kann ein großer Teil der ionisierenden und<br />
heizenden (und praktisch alle) Strahlung entweichen und<br />
zur Bildung der ausgedehnten Halos beitragen. Derartige<br />
Halos werden gewöhnlich mit den kompakteren Konfigurationen<br />
von Radiointerferometern nachgewiesen,<br />
die <strong>für</strong> großräumige Strahlungsverteilungen empfindlicher<br />
sind als die hochauflösenden Konfigurationen, die<br />
zum Nachweis ultrakompakter HII-Regionen verwendet<br />
werden. Der Anteil der Leuchtkraft, der wirklich zur<br />
Ionisation und Aufheizung der IRAS- und VLA-Objekte<br />
dient, imitiert dann einen Stern geringerer Leuchtkraft<br />
als im nahen Infrarot tatsächlich beobachtet. Die externe<br />
Beleuchtung ist auch <strong>für</strong> mindestens eine der langgestreckten<br />
Strukturen bewiesen, die sich in der Nähe<br />
der ultrakompakten HII-Region G268.42-0.85 befinden<br />
(siehe Abb. III.4).<br />
Eine alternative Erklärung wäre, dass wir mit unseren<br />
AO-Nahinfrarotbeobachtungen noch nicht die wirklichen<br />
Zentralsterne der ultrakompakten HII-Regionen<br />
erfassen. Es könnte noch tiefer eingebettete Sterne<br />
geben, die nur bei noch größeren Wellenlängen oder<br />
mit anderen Beobachtungsmethoden, wie zum Beispiel<br />
Polarimetrie, sichtbar werden. Diese Sterne wären dann<br />
<strong>für</strong> den Großteil der IRAS-Leuchtkraft und des Lyman-<br />
Kontinuum-Budgets verantwortlich, während die sehr<br />
massereichen, die wir im nahen Infrarot beobachten, eine<br />
riesige Leuchtkraft liefern, die größtenteils entweicht und<br />
nur zu einem geringen Teil zum Gesamterscheinungsbild<br />
der ultrakompakten HII-Region beiträgt.<br />
Zwei Beispiele demonstrieren, dass dies in der Tat so<br />
sein könnte: die spektakuläre Entdeckung des Zentralsterns<br />
der ultrakompakten HII-Region G5.89-0.39 mit<br />
NAOS/CONICA (NACO) am VLT UT4, die während der<br />
Inbetriebnahme des Geräts gelang, sowie der Nachweis<br />
eines verborgenen Sterns in S 88 B2, dessen Existenz<br />
zunächst aus dem Polarisationsmuster eines etwa 5'' von<br />
der tatsächlichen ultrakompakten HII-Region entfernten<br />
Reflexionsnebels gefolgert wurde. Der Stern, der G5.89-<br />
0.39 ionisiert, wurde im L-Band bei 3.5 µm Wellenlänge<br />
entdeckt. Er ist in ≈ 70 mag visueller Extinktion eingebettet,<br />
und sein K-L-Farbindex beträgt etwa 6 mag (siehe<br />
Abb. III.5). Die Existenz eines Sterns in S 88 B2 wurde<br />
später durch Nachfolge-Beobachtungen mit NACO im<br />
L-Band praktisch genau an der vorhergesagten Position<br />
bestätigt (siehe Abb. III.6). Dieselben polarimetrischen<br />
Beobachtungen deuten darauf hin, dass mehr als ein einzelner<br />
Stern zur Beleuchtung des westlichen B1-Teils der<br />
UCHII S 88 B beiträgt. Dies steht im Widerspruch zu früheren<br />
Ergebnissen, dass ein Einzelobjekt die Ionisation<br />
und Beleuchtung von S 88 B1 beherrscht. Eine erneute<br />
Berechnung der Ionisations- und Leuchtkraftbudgets,<br />
bei der die genaue Geometrie der Region berücksichtigt<br />
wird, zeigt, dass auch die Photonenbudgets auf mehr als<br />
einen beteiligten massereichen Stern hindeuten.
54 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
Abb. III.5: Echtfarbenbild von G5.89-0.39. Die Emission im L-<br />
Band ist rot dargestellt, im Ks-Band grün und im H-Band blau.<br />
Der Kandidat <strong>für</strong> den ionisierenden Stern liegt bei im Zentrum<br />
des Bildes. Das kleine Bild zeigt die Emission im L-Band in<br />
Quadratwurzelskalierung. Hier ist der Zentralstern deutlich<br />
sichtbar.<br />
Die oben beschriebenen Entdeckungen machen deutlich,<br />
dass <strong>für</strong> detaillierte Modellrechnungen ultrakompakter<br />
HII-Regionen mit Mitteln des Strahlungstransports<br />
die dreidimensionale Geometrie der ionisierten Gebiete<br />
vollständig bekannt sein muss, ebenso die Positionen<br />
und Spektraltypen der ionisierenden Sterne. Nur dann<br />
sind tragfähige Schlussfolgerungen über die Wechselwirkung<br />
des Strahlungsfelds mit den Molekülwolken, das<br />
»Problem der Lebensdauer« und tatsächlich auch die<br />
Entwicklung der jungen massereichen Sterne möglich.<br />
Ein weiteres interessantes Ergebnis aus unseren AO-<br />
Daten ist, dass die Sterne in UCHII-Regionen möglicherweise<br />
nicht so gleichaltrig sind wie allgemein<br />
angenommen. Bei drei der im Katalog aufgeführten<br />
Regionen, am deutlichsten bei G61.48, deuten spektrale,<br />
Leuchtkraft- und Farbanalysen darauf hin, dass der<br />
wahrscheinlichste Kandidat <strong>für</strong> den wichtigsten ionisierenden<br />
Stern tatsächlich ein Überriese ist.<br />
Abströmungen und Scheiben<br />
Neben der Identifikation der ionisierenden Quellen<br />
ultrakompakter HII-Regionen ist es natürlich wichtig,<br />
Scheiben um massereiche junge Sterne und Abströmungen,<br />
die von letzteren ausgehen, direkt zu beobachten.<br />
Ein besonders interessantes Ergebnis wurde <strong>2003</strong> mit<br />
Hilfe des Infrarotinterferometers MIDI am VLTI gewonnen.<br />
Während der ersten garantierten Beobachtungszeit<br />
von MIDI wurde bei M8E-IR, einem jungen B3-Stern,<br />
ein spektral aufgelöster »Visibility-Punkt« gemessen.<br />
Die Visibility wurde längs der Hauptachse einer geneigten<br />
Scheibe gemessen, wie man sie schon seit fast<br />
20 Jahren um den Stern vermutet. Der Interferenzstreifenkontrast<br />
von 0.2, der bei dieser Orientierung gemessen<br />
wurde, deutet auf eine Ausdehnung von etwa 21<br />
Millibogensekunden (entsprechend etwa 30 AE in 1.5<br />
kpc Entfernung) bei der beobachteten Wellenlänge von<br />
10 µm hin (siehe Abb. III.7), halb so groß wie 1985 aufgrund<br />
von Mondbedeckungsbeobachtungen bei 3.8 µm<br />
vorhergesagt wurde.<br />
Sternentstehung durch Scheibenakkretion ist gewöhnlich<br />
auch mit dem Phänomen einer Abströmung verknüpft.<br />
Abströmungen können in Form stark gebündelter<br />
Jets auftreten, die zur Lösung des Drehimpulsproblems<br />
beitragen können. Dieses Bild ist hauptsächlich <strong>für</strong><br />
1
20<br />
10<br />
0<br />
–10<br />
–20<br />
20<br />
10<br />
0<br />
–10<br />
–20<br />
Knoten 1<br />
Knoten 2<br />
100%<br />
100%<br />
82<br />
die Entstehung massearmer Sterne entwickelt worden.<br />
Es gibt gute Gründe <strong>für</strong> die Annahme, dass dies nicht<br />
auf die Bildung der massereicheren OB-Sterne zutrifft.<br />
Obwohl hier bipolare Molekülströmungen genauso<br />
häufig vorkommen, gibt es doch nur sehr wenige Fälle,<br />
in denen stark gebündelte Jets beobachtet werden. Im<br />
Gegenteil, hochaufgelöste Radiobilder haben etliche<br />
Fälle aufgedeckt, in denen ionisierende Winde äquatorial<br />
abströmen, das heißt senkrecht zu den bipolaren<br />
Molekülströmungen.<br />
Mehr über die Morphologie der zirkumstellaren Dichteverteilung<br />
kann man aus den Nahinfrarotbeobachtungen<br />
des weniger als eine Bogensekunde großen Reflexionsnebels<br />
erfahren, der durch Licht des jungen Sterns erzeugt<br />
wird, das vom Staub in den Wänden der Höhlung<br />
gestreut wird. Doch bislang hat noch keine Untersuchung<br />
eine größere Stichprobe von Quellen abgedeckt. Beobachtungen<br />
der Morphologie mit einer Winkelauflösung<br />
von weniger als einer Bogensekunde bei einer großen<br />
Stichprobe würden es ermöglichen, die Frage zu untersuchen,<br />
wie häufig Reflexionsnebel und nahe Begleiter<br />
bei massereichen jungen Sternen vorkommen. Abb.<br />
III.8 zeigt einen Vergleich zwischen NIR-Speckle-Daten<br />
von Mon R2 IRS3 S, die bei einer Durchmusterung mit<br />
der MAGIC-Kamera am 3.5-m-Teleskop auf dem Calar<br />
N<br />
83<br />
a)<br />
b)<br />
10<br />
5<br />
0<br />
III.1 Massereiche Sterne – Entstehung und Frühstadien 55<br />
E 82<br />
Zentrum = 19h46m48.29s + 25d 1.0<br />
1246.1 (J2000)<br />
s 0.5s 0.0s –0.5s –1.0s –5<br />
L1<br />
Zentrum = 19h46m48.29s + 25d –10<br />
1.0<br />
1246.1 (J2000)<br />
s 0.5s 0.0s –0.5s –1.0s Alto und mit IRCAM 3 am UKIRT gewonnen wurden,<br />
und einem Monte-Carlo-Strahlungstransportmodell des<br />
Lichts, das von den durch die Abströmungen geschaf-<br />
FWHM [mas]<br />
Abb. III.6 : a) und b): Polarisationsmuster des gestreuten<br />
Lichts in der Umgebung von S 88 B. Die gepunktet-gestrichelte<br />
Ellipse markiert die Unsicherheit (1s) der Position<br />
eines vermuteten beleuchtenden Sterns, die aus dem<br />
Polarisationsmuster innerhalb der gelb umrandeten Gebiete<br />
errechnet wurde. Die Umrisse bezeichnen 6-cm-Strahlung,<br />
gemessen mit dem VLA. c): Eine mit NACO gewonnene<br />
L-Band-Aufnahme. Der beleuchtende Stern (L1) nahe<br />
der östlichen ultrakompakten HII-Region ist in diesem<br />
Spektralband klar nachweisbar.<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
Größe von M8E IR<br />
8 9 10 11 12 13<br />
l [µm]<br />
Abb. III.7: Ausdehnung von M8E-IR, gemessen mit MIDI am<br />
VLTI. Die gemessene Größe nimmt mit der Wellenlänge zu. Die<br />
Visibility wurde längs der Achse gemessen, in der Simon et al.<br />
1985 die längliche Scheibe vermuteten.<br />
L2<br />
c)<br />
83<br />
M8E IR (Cal1)<br />
M8E IR (Cal2)<br />
l /B
56 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
a) IRS3 S (H-Band)<br />
1<br />
fenen Höhlungswänden zurückgestreut wird. Es zeigt<br />
sich, dass das Aussehen von Mon R2 IRS3 S im nahen<br />
Infrarot in der Tat vereinbar ist mit einer Höhlung mit 20<br />
Grad Öffnungswinkel, die unter einer Neigung von 45<br />
Grad beobachtet wird. Das Modell kann jedoch nicht die<br />
Ausdehnung des Nebels in den beiden Spektralbändern<br />
gleichzeitig reproduzieren. Diese Diskrepanz lässt sich<br />
vielleicht durch spezielle Staubzusammensetzungen in<br />
den Umgebungen massereicher junger Sterne erklären,<br />
oder durch eine abgeflachte Dichteverteilung in Mon R2<br />
IRS3 S.<br />
Zusammenfassung<br />
1<br />
b) IRS3 S (K-Band)<br />
Abb. III.8 : a) und b) der bei Mon R2 IRS3 S beobachtete, weniger<br />
als eine Bogensekunde große Nahinfrarotnebel; zum Vergleich<br />
c) und d) unsere Streuungssimulationen. Die Orientierung ist<br />
so gewählt, dass die angenommene Höhlungsachse entlang<br />
der senkrechten Achse liegt. Das Kreuz in den H-Band-Bildern<br />
zeigt die Position des eingebetteten Sterns.<br />
Im Jahr <strong>2003</strong> sind am <strong>MPIA</strong> beim Bestreben, die<br />
Entstehung massereicher Sterne besser zu verstehen,<br />
große Fortschritte erzielt worden. Erfolgreiche Beobachtungen<br />
sehr junger massereicher Sterne im Stadium<br />
des kalten sowie des heißen Kerns ergänzen detaillierte<br />
Beobachtungen etwas späterer Phasen, insbesondere<br />
der ultrakompakten HII-Regionen. Hier haben<br />
die Identifikation der ionisierenden und beleuchtenden<br />
Quellen sowie die ausführliche Untersuchung der<br />
Wechselwirkung zwischen ihnen und nahegelegenen<br />
molekularen Wolkenstrukturen den Weg frei gemacht <strong>für</strong><br />
c) HH01 ( m = 0.70)<br />
1<br />
d) K01 ( m = 0.70)<br />
bessere Modelle dieser wichtigen und häufigen Objekte.<br />
Und schließlich wurde das Infrarotinterferometer MIDI<br />
zum ersten Mal <strong>für</strong> die Beobachtung der unmittelbaren<br />
Umgebung eines massereichen jungen Sterns, M8E-IR,<br />
eingesetzt, auf Skalen von einigen zehn Astronomischen<br />
Einheiten. Dabei wurden sofort Anzeichen einer Scheibe<br />
entdeckt. Durch Abströmungen geformte Höhlungen,<br />
neben Scheiben der zweite wichtige Indikator <strong>für</strong> einen<br />
durch Akkretion angetriebenen Entstehungsmechanismus<br />
massereicher Sterne, sind auf etwas größeren Skalen mit<br />
Hilfe von Speckle-Interferometrie beobachtet worden.<br />
Es ist klar, dass das Rätsel der Entstehung massereicher<br />
Sterne noch nicht gelöst ist. Unsere Beobachtungsmethoden<br />
dringen jedoch immer tiefer in die allerersten<br />
Entstehungsphasen und in die allernächste Umgebung<br />
junger massereicher Sterne vor. Insbesondere das Infrarotinterferometer<br />
MIDI besitzt die Fähigkeit zu ermitteln,<br />
wie häufig die jungen massereichen Sterne von Scheiben<br />
und/oder Abströmungshöhlungen begleitet sind. Neue<br />
dreidimensionale Strahlungstransportmodelle werden<br />
dazu beitragen, die hoch abstrakten Interferometerdaten<br />
zu interpretieren, unterstützt durch beugungsbegrenzte<br />
Beobachtungen an 8-m-Teleskopen im Spektralbereich<br />
zwischen 1 µm und 5 µm. Mit diesen Methoden hoffen<br />
wir, die Mechanismen und Zeitskalen der frühen<br />
Entwicklungsstadien massereicher Sterne innerhalb der<br />
nächsten Jahre bestimmen zu können.<br />
(Carlos Alvarez, Daniel Apai, Markus Feldt, Thomas<br />
Henning, Oliver Krause, Ilaria Pascucci, Elena Puga;<br />
weiterhin sind beteiligt: MPI <strong>für</strong> Radioastronomie,<br />
Astrophysikalisches <strong>Institut</strong> und Sternwarte der<br />
Universität Jena)<br />
1
III.2 Laborastrophysik – ein neues Forschungsfeld des <strong>MPIA</strong><br />
Im Rahmen einer Kooperation zwischen dem MPI <strong>für</strong><br />
<strong>Astronomie</strong> und der Friedrich-Schiller-Universität Jena<br />
wurde am 12. Februar <strong>2003</strong> ein neues Labor <strong>für</strong> Astrophysik<br />
in Jena eröffnet. Es befindet sich im <strong>Institut</strong><br />
<strong>für</strong> Festkörperphysik und wird von Prof. Dr. Friedrich<br />
Huisken geleitet.<br />
Die gemeinsame Einrichtung hat sich zur Aufgabe<br />
gestellt, astrophysikalischen Fragestellungen in Laborexperimenten<br />
nachzugehen, um damit eine Hilfestellung<br />
zur Interpretation astronomischer Beobachtungen zu<br />
geben. Hierzu werden Apparaturen eingesetzt, in denen<br />
die relevanten astrophysikalischen Bedingungen möglichst<br />
gut simuliert werden können. Schwerpunkte der<br />
augenblicklichen Arbeiten bilden die spektrokopische<br />
Charakterisierung von neutralen und ionisierten polyzyklischen<br />
aromatischen Kohlenwasserstoffen in der<br />
Gasphase und in ultrakalten Heliumtröpfchen sowie die<br />
Untersuchung der optischen Eigenschaften von isolierten<br />
und in Festkörpern eingebetteten Silizium-Nanoteilchen.<br />
Während das erste Projekt zur Identifizierung der diffusen<br />
interstellaren Banden beitragen soll, wird von den<br />
Untersuchungen an Silizium-Nanoteilchen ein Beitrag<br />
zur Erklärung der »Extended Red Emission« erwartet.<br />
Einleitung<br />
Astrophysikalisch relevante Prozesse basieren auf<br />
einem breiten Spektrum von physikalischen und chemischen<br />
Elementarprozessen, deren Kenntnis unerläßlich<br />
ist, um aus den astronomischen Beobachtungen wissenschaftliche<br />
Schlußfolgerungen ziehen zu können. Eine<br />
besonders große Rolle spielen die Elementarprozesse, die<br />
man der physikalischen Chemie zuordnet: Das Verhalten<br />
von Atomen, Molekülen, Clustern, Nanoteilchen und<br />
Staubpartikeln bei Stößen untereinander und in Strahlungsfeldern.<br />
Kenntnisse über diese Prozesse bestimmen<br />
das Wechselspiel von messenden Beobachtungen<br />
und mathematisch-physikalischen Modellierungen der<br />
Strukturen und der makroskopischen Prozesse in erheblichem<br />
Umfang. Ihre Bedeutung nimmt gerade jetzt in<br />
besonderem Maße zu, da die bereits verfügbaren und in<br />
naher Zukunft zu erwartenden Beobachtungen qualitativ<br />
und quantitativ alles Bisherige weit übertreffen.<br />
Wegen des breiten Spektrums der beteiligten Prozesse<br />
kann ein erfolgversprechender Ansatz nur in einem<br />
interdisziplinären Zusammenwirken von Astronomen,<br />
Astrophysikern, Physikern, Chemikern und eventuell<br />
auch Biologen liegen. Beispiele <strong>für</strong> Forschungsfelder,<br />
in denen diese Überlegungen zum Tragen kommen,<br />
sind die Sternentstehung, die Sternatmosphären, das<br />
interstellare und zirkumstellare Medium, Teilaspekte der<br />
Sonnenphysik oder die Kometenforschung. Neueste Ergebnisse<br />
der Astrophysik eröffnen auch Perspektiven <strong>für</strong><br />
die Evolution irdischen Lebens.<br />
Eines der oben genannten Forschungsfelder, <strong>für</strong> das<br />
die geschilderten Überlegungen in besonderem Maße zutreffen,<br />
ist das Interstellare Medium (ISM). Deswegen erscheint<br />
es sinnvoll, dass sich eine diesen Fragestellungen<br />
nachgehende Laborastrophysik-Einrichtung im wesentlichen<br />
der Physik und Chemie dieses Teilgebiets zuwendet.<br />
Ein wichtiges Ziel der Aktivitäten einer Laborastrophysik-Gruppe<br />
sollte darin bestehen, Erfahrungen<br />
aufzubauen und Kenntnisse bereitzustellen, mit deren<br />
Hilfe die Fülle der Beobachtungsdaten interpretiert<br />
werden kann, die von erd- und satellitengebundenen<br />
Beobachtungsstationen in zunehmendem Maße zur Verfügung<br />
gestellt werden. Im Zusammenspiel mit laborgestützten<br />
Experimenten können so die chemische<br />
Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften<br />
des Interstellaren Mediums erforscht werden. Nur so<br />
wird man in der Lage sein, die Elementarschritte,<br />
die die dynamische Entwicklung dieses komplexen<br />
Systems bewirken, verstehen zu lernen. In einem weiteren<br />
Schritt werden die gewonnenen Erkenntnisse auch<br />
neue Aufgaben <strong>für</strong> zukünftige Missionen definieren.<br />
Um die vielfältigen Daten optimal auswerten und<br />
interpretieren zu können, bedarf es einer vereinten<br />
interdisziplinären Anstrengung, die sich der Physik<br />
und Chemie der verschiedensten Materialien unter<br />
den Bedingungen des Interstellaren Raumes annimmt.<br />
Dabei sollten von den Experimentatoren folgende<br />
Schwerpunkte gesetzt werden: Untersuchung von Stoßvorgängen<br />
und Reaktionen in der Gasphase (Atome,<br />
Moleküle, Radikale, Elektronen, Ionen und Photonen betreffend),<br />
Charakterisierung großer Moleküle (Struktur,<br />
Dynamik, Bildungs- und Zerfallsmechanismen) sowie<br />
die Untersuchung von Nanoteilchen, Staubpartikeln und<br />
Oberflächen (Physik und Chemie). Von der Erforschung<br />
ihrer optischen Eigenschaften unter astrophysikalisch<br />
relevanten Bedingungen erhoffen wir uns einen wesentlichen<br />
Beitrag zur Erklärung der diffusen interstellaren<br />
Banden (DIBs), der unidentifizierten Infrarotbanden<br />
(UIRs) sowie der Extended Red Emission (ERE). Von<br />
der theoretischen Seite sind vermehrte Anstrengungen<br />
auf dem Gebiet der fundamentalen Theorie (ab-initio-<br />
Rechnungen, Stoßdynamik und Theorie der Lichtstreuung)<br />
sowie im Rahmen von Modellrechnungen (chemische<br />
Netzwerke, Strahlungstransfer und Simulation von<br />
Spektren) notwendig. Die erfolgreiche Erforschung der<br />
geschilderten Prozesse wird über die Astrophysik hin-<br />
57
58 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
aus zu einem neuen Verständnis der Eigenschaften und<br />
Wechselwirkungen der Materie unter extremen Bedingungen<br />
führen.<br />
Die erfolgreiche Erforschung der geschilderten Prozesse<br />
wird über die Astrophysik hinaus zu einem neuen<br />
Verständnis der Eigenschaften und Wechselwirkungen<br />
der Materie unter extremen Bedingungen führen.<br />
Im Folgenden sollen die verschiedenen Forschungsgebiete,<br />
in denen Laborexperimente wünschenswert<br />
sind, ausführlicher beschrieben werden. Dabei wird auch<br />
auf neue experimentelle Methoden und Entwicklungen<br />
eingegangen, auf die erfolgreiche Untersuchungen nicht<br />
verzichten sollten. Es sei aber bereits vorausgeschickt,<br />
dass es unmöglich sein wird, in einer kleinen Laborastrophysik-Gruppe<br />
alle Gebiete zu behandeln.<br />
Stöße in der Gasphase<br />
Genaue Querschnitte <strong>für</strong> Energietransferprozesse und<br />
verläßliche Geschwindigkeitskonstanten <strong>für</strong> chemische<br />
Reaktionen sind von essentieller Bedeutung als Basis<br />
<strong>für</strong> aussagekräftige Modellrechnungen. Bis auf wenige<br />
Ausnahmen stehen solche Daten <strong>für</strong> den relevanten<br />
Temperaturbereich unterhalb 80 K aber nur unzureichend<br />
zur Verfügung. Da die Geschwindigkeitskonstante<br />
n dramatisch von der Temperatur abhängen, sind speziell<br />
ausgerichtete Experimente unerläßlich. Bei den tiefen<br />
Temperaturen können nur exotherme Reaktionen mit<br />
niedriger oder fehlender Schwelle im Eingangskanal eine<br />
Rolle spielen. Dazu zählen insbesondere Ionen-Molekülund<br />
Radikalreaktionen. Neben der Geschwindigkeitskon<br />
stanten ist die kinetische Energie der Ausgangsprodukte<br />
sowie die Verteilung der inneren Energie von großer<br />
Wichtigkeit. Dem gleichen Themenkreis ist auch die als<br />
Halbstoß bezeichnete Photodissoziation zuzurechnen,<br />
der im Strahlungsfeld des ISM besondere Bedeutung<br />
zukommt. Ebenfalls spielt der umgekehrte Prozeß, die<br />
Strahlungsassoziation bei den geringen Dichten eine<br />
wichtige Rolle.<br />
Um die gewünschten Messungen bei tiefen Temperaturen<br />
durchführen zu können, bieten sich Molekularstrahl<br />
experimente, Matrixisolationsexperimente in Verbindung<br />
mit Laserbestrahlung und gekühlte Ionenfallen an. Als<br />
besonders vielversprechend haben sich in den letzten<br />
Jahren Dissoziations- und Reaktionsexperimente in kalten<br />
und ultrakalten Nanoreaktoren erwiesen, wie sie<br />
durch Edelgascluster aus Argon (35 K) und insbesondere<br />
aus Helium (0.4 K) bereitgestellt werden. Für viele der<br />
experimentell behandelten Systeme können auch theoretische<br />
Untersuchungen durchgeführt werden, wobei<br />
die kleineren Systeme bereits mit exakten Methoden<br />
gerechnet werden können.<br />
Große Moleküle<br />
Die Diffusen Interstellaren Banden (DIBs) stellen<br />
gegenwärtig das älteste ungelöste Rätsel der astrono-<br />
mischen Spektroskopie dar. Aufgrund des vorliegenden<br />
Beobachtungsmaterials weiß man heute, dass die<br />
Träger der DIBs Gasphasenmoleküle und nicht etwa<br />
Staubteilchen sind; doch steht eine sichere Identifikation<br />
noch immer aus. Die z. Z. am häufigsten diskutierten<br />
Kandidaten sind Kohlenstoff- bzw. Kohlenwasserstoffketten,<br />
Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe<br />
(PAKs) und Fullerane. Neueste Laborexperimente am<br />
NASA Ames Research Center lassen die PAKs als besonders<br />
attraktive Kandidaten nicht nur als Träger der<br />
DIBs, sondern auch als Träger der Unidentifizierten<br />
Infrarot-Banden (UIRs) erscheinen. Trotz erheblicher<br />
Fortschritte sind die spektroskopischen Eigenschaften<br />
insbesondere der größeren PAKs unter den extremen<br />
Bedingungen des ISM (isoliert, kalt und in verschiedenen<br />
Ladungszuständen) noch immer weitgehend unbekannt.<br />
Es gibt Anzeichen, dass die PAKs im ISM häufiger als<br />
alle anderen bekannten interstellaren Moleküle auftreten<br />
und dass in ihnen 5 – 10 % des interstellaren Kohlenstoffs<br />
enthalten ist. Modellrechnungen zeigen, dass PAKs eine<br />
führende Rolle in der interstellaren Chemie spielen und<br />
dass sie den Ladungszustand der interstellaren Wolken<br />
bestimmen. Daraus wird ersichtlich, dass man neben<br />
der Spektroskopie noch viele andere Eigenschaften und<br />
Wechselwirkungen mit der Umgebung (Photoionisation,<br />
Elektron-Rekombination, Photodissoziation, chemische<br />
Reaktionen, Clusterbildung usw.) studieren muß.<br />
Massenspektrometrische Untersuchungen an Bord<br />
der Raumsonde STARDUST haben gezeigt, dass in interstellaren<br />
Staubkörnern auch polymere heterozyklische<br />
Aromate vorkommen, die im Unterschied zu den planaren<br />
PAKs dreidimensionale Strukturen bilden (J. Kissel,<br />
MPI <strong>für</strong> extraterrestrische Physik). Der Nachweis von<br />
Vorläufermolekülen sämtlicher Stoffklassen (Nucleobasen,<br />
Zucker, Phosphate, Aminosäuren und Lipide) in<br />
kosmischen Staubteilchen, die <strong>für</strong> die Biochemie von<br />
Lebewesen von Bedeutung sind, hat zu der Spekulation<br />
geführt, dass das irdische Leben seinen Ursprung in kosmischen<br />
Partikeln haben könnte, die auf der Erdoberfläche<br />
mit Wasser in Berührung gekommen sind.<br />
Die Charakterisierung astrophysikalisch relevanter<br />
Moleküle, zu denen auch vermeintlich einfache<br />
Moleküle wie Wasser, Methanol, Ammoniak,<br />
Ameisensäure usw. gehören, unter den Bedingungen<br />
des ISM erfordert modernste Laboruntersuchungsmethoden.<br />
Dazu gehört sicherlich die Matrixisolationsspektroskopie<br />
in Kombination mit Laseranregung in allen<br />
Wellenlängenbereichen. Größerer Bedarf besteht jedoch<br />
an Untersuchungen in der Gasphase, die allerdings in<br />
vielen Fällen nur schwer zugänglich ist. Hier bieten<br />
sich Laserverdampfungsmethoden sowie das zuvor diskutierte<br />
Einbetten der großen Moleküle in fast wechselwirkungsfreien<br />
nanoskopischen Heliumtröpfchen<br />
an. Ferner sollten Experimente mit massenselektierten<br />
Molekülionen in Molekularstrahlen und Fallen an vorderster<br />
Stelle stehen. Zum Verständnis der Evolution der
Molekülwolken ist es ferner unerläßlich, Informationen<br />
über die reaktiven und dynamischen Eigenschaften<br />
(Bildung und Zerstörung), über den Zusammenhang<br />
zwischen aliphatischen und aromatischen interstellaren<br />
Spezies sowie über den Ladungszustand der Moleküle<br />
(Neutrale, Kationen und Anionen) zu sammeln.<br />
Staubpartikel und Oberflächen<br />
Heute herrscht Einvernehmen darüber, dass Staubpartikel<br />
eine bedeutende Rolle in der interstellaren Chemie<br />
dichter Wolken spielen. Dies gilt nicht nur <strong>für</strong> die Produktion<br />
von molekularem Wasserstoff, sondern ebenfalls <strong>für</strong><br />
die katalytische Synthese einer Reihe größerer Kohlenwasserstoffe.<br />
Häufig sind die Staubpartikel von einem<br />
Eismantel umgeben, und in sehr dichten Regionen kann<br />
sich der gesamte Molekülvorrat in gefrorenem Zustand<br />
auf der Oberfläche von Staubteilchen befinden.<br />
Hieraus wird sofort ersichtlich, dass die Erforschung der<br />
Wechselwirkung interstellarer Moleküle mit der Oberfläche<br />
der Staubpartikel von zentraler Bedeutung <strong>für</strong> das<br />
Verständnis der interstellaren Chemie ist.<br />
Laborexperimente sollten sich auch mit der Herstellung<br />
von Analogmaterialien <strong>für</strong> kosmische Staubpartikel<br />
befassen. Von größerer Bedeutung sind Silikate, Kohlenstoffpartikel<br />
in verschiedenen Modifikationen, Karbide,<br />
Silizium-Nanoteilchen und die schon erwähnten<br />
Eispartikel. Die Spektren, die vom Infrared Space<br />
Observatory (ISO) aufgenommen wurden, deuten auf<br />
eine Vielzahl von sowohl kristallinen als auch amorphen<br />
Silikatpartikeln in zirkumstellaren und interstellaren<br />
Umgebungen hin. Es wird vermutet, dass<br />
Kohlenstoffpartikel <strong>für</strong> die interstellare Extinktion bei<br />
217.5 nm verantwortlich sind und dass wasserstoffreiche<br />
Kohlenstoffteilchen Träger <strong>für</strong> einige UIR-Banden<br />
sein könnten. Allerdings steht hier<strong>für</strong> der endgültige<br />
Beweis noch aus, zumal alternativ auch die zuvor<br />
erwähnten PAKs als da<strong>für</strong> verantwortliche Spezies<br />
diskutiert werden. Eine als Extended Red Emission<br />
(ERE) bezeichnete und in zahlreichen Staubwolken beobachtete<br />
Lumineszenzerscheinung wird ebenfalls nanoskopischen<br />
Staubpartikeln zugeordnet. Eine vielversprechende<br />
Erklärung beruht auf der Annahme, dass<br />
kristalline Silizium-Nanoteilchen mit unterschiedlichen<br />
Größenverteilungen <strong>für</strong> dieses Phänomen in seiner gesamten<br />
Vielfalt verantwortlich sind.<br />
Bei der Herstellung von Analogmaterialien im Labor<br />
sollten die Nanoteilchen möglichst unter ähnlichen Bedingungen,<br />
wie sie auch im Interstellaren Raum vorherrschen,<br />
erzeugt werden. Dazu bieten sich vornehmlich<br />
Verfahren an, die auf einem Partikelwachstum in der<br />
Gasphase beruhen, z. B. nach der Methode der Chemical<br />
Vapor Deposition (CVD). Die Kühlung könnte anschließend<br />
durch Überführung in eine kryogene Matrix erfolgen.<br />
Besonders attraktive Experimente sind <strong>für</strong> einzelne<br />
geladene Partikel vorstellbar, die über lange Zeit in einer<br />
Paul-Falle gespeichert werden können.<br />
III.2 Laborastrophysik – ein neues Forschungsgebiet des <strong>MPIA</strong>. 59<br />
Bei der Diskussion der optischen Eigenschaften von<br />
Nanopartikeln ist zu beachten, dass quantenmechanische<br />
Effekte auftreten können, die ihre Ursache in der<br />
Lokalisierung der elektronischen Wellenfunktion haben.<br />
Dies kann zu Eigenschaften führen, die drastisch<br />
von denen des Festkörpers abweichen. Ein solcher<br />
Größeneffekt wurde z.B. <strong>für</strong> Silizium-Nanoteilchen beobachtet,<br />
die zur Erklärung der Extended Red Emission<br />
(ERE) herangezogen werden. Um die Photolumineszenz<br />
von Nanopartikeln zu studieren, ist es wünschenswert,<br />
modernste Verfahren wie Einzelmolekülspektroskopie,<br />
konfokale Mikroskopie, Rastermikroskopie-Verfahren<br />
sowie Ionenspeichertechniken einzusetzen.<br />
Es wurde bereits betont, dass die Laborastrophysik-<br />
Einrichtung in Jena nur einige Teilaspekte aus dem<br />
vorgestellten »Forschungskatalog« herausgreifen und<br />
bearbeiten kann. Ergänzende Aktivitäten werden aber<br />
von Kooperationspartnern, die innerhalb der von der<br />
Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschergruppe<br />
»Laborastrophysik« zusammengefaßt sind,<br />
entwickelt. So beschäftigen sich z.B. die an der TU<br />
Chemnitz ansässigen Arbeitsgruppen mit elementaren<br />
astrophysikalisch relevanten Ionenmolekülreaktionen,<br />
mit der Speicherung und dem unimolekularen Zerfall<br />
von Molekülionen oder mit der Spektroskopie von einzelnen<br />
Silizium-Nanoteilchen. Desweiteren gehören zur<br />
Forschergruppe drei theoretische Arbeitsgruppen. Eine<br />
davon ist an der TU Chemnitz angesiedelt und beschäftigt<br />
sich mit der theoretischen Behandlung der optischen<br />
Eigenschaften von Silizium-Nanoteilchen. Eine weitere<br />
Theoriegruppe führt an der TU Dresden molekulardynamische<br />
Simulationen zur Bildung und Reaktivität<br />
von Molekülen und Clustern durch. Schließlich ist ein<br />
Projekt der Forschergruppe auch am <strong>MPIA</strong> angesiedelt.<br />
Es befaßt sich mit der Modellierung der chemischen<br />
Entwicklung protoplanetarer Akkretionsscheiben, wodurch<br />
ein besseres Verständnis der Anfangsbedingungen<br />
<strong>für</strong> den Sonnennebel sowie der Entstehung extrasolarer<br />
Sonnensysteme erwartet wird.<br />
Die Arbeiten der gemeinsamen Laborastrophysik-<br />
Gruppe des <strong>MPIA</strong> und der FSU Jena konzentrieren sich<br />
auf die drei Schwerpunkte (1) Absorptionsspektroskopie<br />
von neutralen und ionisierten PAKs im Düsenstrahl, (2)<br />
Spektroskopie von Molekülen in ultrakalten Heliumtröpfchen<br />
und (3) Charakterisierung der Leuchteigenschaften<br />
von kristallinen Silizium-Nanoteilchen. Sie sollen im<br />
Folgenden ausführlicher vorgestellt werden.<br />
Absorptionsspektroskopie von neutralen und ionisierten<br />
PAKs im Düsenstrahl<br />
Die Diffusen Interstellaren Banden (DIBs) stellen<br />
gegenwärtig das älteste ungelöste Rätsel der astronomischen<br />
Spektroskopie dar. Obwohl sie bereits 1920 im<br />
Zusammenhang mit Arbeiten am Henry-Draper-Katalog
60 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
entdeckt wurden und ihre interstellare Herkunft 1936<br />
durch Merrill nachgewiesen werden konnte, steht ihre<br />
sichere Identifikation bis heute aus. Surveys mit empfindlichen<br />
CCD-Detektoren haben gezeigt, dass es mehr<br />
als 300 dieser Absorptionsbanden gibt, und ihre Anzahl<br />
vergrößert sich von Jahr zu Jahr. Die DIBs liegen oberhalb<br />
von 440 nm und reichen bis in das nahe IR, wobei<br />
die größte Bandendichte zwischen 540 und 690 nm<br />
zu verzeichnen ist. Abb. III.9 zeigt ein von Jenniskens<br />
& Désert veröffentlichtes Spektrum, das den nahen<br />
Infrarot- und sichtbaren Spektralbereich von etwa 1000<br />
nm (links) bis 400 nm (rechts) wiedergibt. Im farbigen<br />
Spektralbereich sieht man deutlich scharze Linien, die<br />
– wie die Fraunhoferschen Linien im Sonnenspektrum<br />
– dadurch zustande kommen, dass die entsprechenden<br />
Wellenlängen von hier allerdings noch zu identifizierenden<br />
Teilchen, die sich auf der Sichtlinie befinden,<br />
absorbiert werden. Ferner wurde der Grafik in weiß<br />
das Absorptionsspektrum überlagert, das natürlich mit<br />
den schwarzen Linien zusammenfällt, zusätzlich aber<br />
die Stärke der Absorptionen wiedergibt. In einer vergrößerten<br />
Darstellung wird deutlich, dass die einzelnen<br />
Banden eine große Vielfalt in ihren Stärken und Breiten<br />
aufweisen; so liegen die Halbwertsbreiten zwischen 0.06<br />
und 4 nm.<br />
Die meisten Linien sind zu breit, um sie mit atomaren<br />
Linien identifizieren zu können. Stattdessen<br />
kommen eher Moleküle in Frage. Allerdings gelangt<br />
man schnell zu der Einsicht, dass es sich nicht um ein<br />
einzelnes Molekül handeln kann, wenn man die Vielzahl<br />
der Banden in Rechnung stellt und weiterhin beachtet,<br />
dass die Bandenstärke aller Banden nicht korreliert ist,<br />
sondern dass es möglicherweise »Familien« von Banden<br />
gibt. Desweiteren kann man sagen, dass die Träger der<br />
DIBs sehr wahrscheinlich Gasphasenmoleküle und keine<br />
Staubteilchen sind. Da<strong>für</strong> spricht, dass die einzelnen<br />
DIBs sich bei einer konstanten Wellenlänge befinden,<br />
Abb. III.9: Spektrum der Diffusen Interstellaren Banden (von P.<br />
Jenniskens und F.-X. Desert)<br />
keine Profilvariationen zeigen und nicht polarisiert sind.<br />
Hinzu kommt, dass zum Beispiel die DIBs bei 661.4<br />
und 597.7 nm bei extrem hoher spektraler Auflösung<br />
Feinstrukturen zeigen, die der Rotationsstruktur in elektronischen<br />
Molekülspektren ähneln.<br />
Im Verlaufe der Identifikationsversuche der DIBs<br />
hat es einige Irrwege gegeben. Als »Beiprodukt« ist<br />
aber auch ein effektiver Fulleren-Syntheseweg von<br />
Krätschmer 1990 am benachbarten MPI <strong>für</strong> Kernphysik<br />
in Heidelberg gefunden worden. Gasphasenmoleküle,<br />
die als Träger der DIBs in Frage kommen, sollten die<br />
folgenden Eigenschaften besitzen:<br />
1. Ihre Synthese sollte unter den vorherrschenden<br />
Bedingungen möglich sein,<br />
2. Konsistenz mit der kosmischen Häufigkeit der<br />
Elemente,<br />
3. Ausreichende Photostabilität, um unter den<br />
Strahlungsbedingungen des diffusen interstellaren<br />
Mediums überleben zu können,<br />
4. Spektroskopische Übereinstimmung ihrer Banden<br />
in Position, Form und Stärke mit den DIBs,<br />
5. Konsistenz der spektralen Eigenschaften mit<br />
den beobachteten astronomischen Variationen<br />
als Folge von veränderten physikalischen<br />
Bedingungen (z. B. DIBs werden schwächer in<br />
dichten Gebieten, die vom Strahlungsfeld abgeschirmt<br />
sind).<br />
Mögliche Kandidaten, die diese Kriterien erfüllen,<br />
sind gesättigte und ungesättigte Kohlenstoffketten C n H m<br />
(n m), polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs)<br />
sowie Fullerane. Die Laborastrophysikgruppe in Jena<br />
konzentriert sich bei ihren Untersuchungen auf PAKs, die<br />
z. Z. am häufigsten als Träger der diffusen interstellaren<br />
Banden diskutiert werden. Im neutralen Zustand absor-
ieren kleine PAKs im UV; sie kommen daher nicht als<br />
Kandidat in Frage. Allerdings verschiebt sich mit zunehmender<br />
Anzahl der aromatischen Ringe ihre Absorption<br />
immer weiter ins Sichtbare. Positiv geladene, kleine<br />
PAK-Ionen (PAK-Kationen) haben dagegen von vornherein<br />
Absorptionsbanden im Sichtbaren. Außerdem<br />
erwartet man, dass sich wegen der im Weltraum vorherrschenden<br />
äußeren Strahlungsbedingungen sowieso ein<br />
großer Anteil der PAKs in ihrem kationischen Zustand<br />
befindet. Zusammenfassend können wir also sagen, dass<br />
sich unser Augenmerk sowohl auf größere neutrale als<br />
auch auf kleine kationische PAKs richten sollte.<br />
Um einen aussagekräftigen Vergleich zwischen<br />
Labordaten und astronomischen Beobachtungen anstellen<br />
zu können, müssen die PAKs unter astrophysikalisch<br />
relevanten Bedingungen präpariert werden, d. h. bei<br />
tiefen Temparaturen und geringer Dichte. Diese werden<br />
in einer Vakuumkammer realisiert, in die ein mit<br />
PAK-Molekülen dotierter Argon-Strahl expandiert wird.<br />
Durch die Stöße mit den Argon-Atomen werden die PAK-<br />
Moleküle auf Temperaturen um 10 K abgekühlt. Ferner<br />
führt die Expansion ins Vakuum zu einer drastischen<br />
Reduzierung der Dichte, so dass die PAK-Moleküle<br />
schon nach wenigen mm nicht mehr miteinander oder<br />
mit den Argon-Atomen wechselwirken. Um den Einsatz<br />
von Vakuumpumpen minimieren zu können und um die<br />
Erzeugung von ionisierten PAKs zu erleichtern, wird die<br />
Expansion im gepulsten Modus durchgeführt und der<br />
Repetitionsrate der verwendeten Laser angepaßt.<br />
Abb. III.10 zeigt einen schematischen Querschnitt<br />
durch die in Jena verwendete gepulste Düsenstrahlquelle.<br />
Ein elektromagnetisch betriebener Stößel gibt auf einen<br />
elektrischen Impuls hin die Düse frei, so dass das zugeführte<br />
Argon-Gas ins Vakuum austreten kann. Die<br />
PAK-Moleküle (Probe) werden durch eine Heizung<br />
verdampft und damit dem Argon-Trägergas beigemischt.<br />
Ohne die in der Abbildung weiter vorne eingezeichnete<br />
Elektrodenanordnung wird so ein Düsenstrahl erzeugt,<br />
der sich stromabwärts (in der Abbildung nach rechts)<br />
schnell abkühlt und verdünnt. PAK-Kationen werden<br />
Ar<br />
Ventil<br />
Kühlwasser<br />
Kolben<br />
Heizer<br />
Probe<br />
Düse<br />
– 450 V<br />
Elektrodenaufbau<br />
Frontansicht<br />
Abb. III.10: Schematische Darstellung der gepulsten Düsenstrahlquelle.<br />
Die PAK-Moleküle sind in kristalliner Form in der Probe<br />
enthalten. Die Elektrodenanordnung wird nur angebracht, wenn<br />
PAK-Kationen untersucht werden sollen.<br />
III.2 Laborastrophysik – ein neues Forschungsgebiet des <strong>MPIA</strong>. 61<br />
mit Hilfe der Elektrodenanordnung erzeugt, indem man<br />
an die äußere Elektrode ein Spannung von etwa –450<br />
V legt. Dadurch entsteht ein Plasma, in dem die PAK-<br />
Moleküle durch Stöße mit metastabilem Argon zu einem<br />
nicht unerheblichen Teil ionisert werden.<br />
Das Absorptionsverhalten der neutralen oder ionisierten<br />
PAK-Moleküle wird mit Hilfe eines direkt vor der<br />
Düse (bzw. vor der Elektrodenanordnung) eingestrahlten<br />
Lasers studiert. Dabei verwenden wir eine direkte<br />
Absorptionsmethode, die mit »Cavity-Ring-Down-<br />
Spectroscopy« (CRDS) bezeichnet wird. Diese äußerst<br />
empfindliche Methode beruht darauf, dass der mit dem<br />
Molekularstrahl wechselwirkende gepulste Laserstrahl<br />
in einem Resonator extrem hoher Güte – auch Cavity genannt<br />
– viele Male hin und her reflektiert wird. Bei jedem<br />
Auftreffen des Laserpulses auf den Rückspiegel wird ein<br />
kleiner Bruchteil transmittiert, von einem Photomultiplier<br />
verstärkt und schließlich von einem Oszillographen oder<br />
Transientenrekorder registriert. Dabei ergibt sich die in<br />
der schematischen Darstellung (Abb. III.11) wiedergegebene<br />
Wellenform, deren Einhüllende exponentiell abklingt.<br />
Wenn der Laserstrahl auf seinem Weg durch die<br />
Cavity von einem Gas absorbiert wird, fällt die Kurve<br />
schneller ab, als wenn keine Absorption stattfindet.<br />
So kann aus der Abklingzeit mit Hilfe einer einfachen<br />
Formel direkt auf den Absorptionsquerschnitt geschlossen<br />
werden. Indem man den Laser über einen bestimmten<br />
Spektralbereich abstimmt, erhält man schließlich das<br />
Absorptionsspektrum des Molekularstrahls.<br />
Als eines der ersten PAKs haben wir das neutrale<br />
Anthracen-Molekül (An; C 14 H 10 ) untersucht. Dieses<br />
Molekül besteht aus drei aromatischen Ringen, die<br />
in einer Reihe angeordnet sind. Das elektronische<br />
Absorptionsspektrum enthält zunächst eine starke Bande<br />
bei 361.176 nm, die dem S 1 (0) ← S 0 (0) Übergang entspricht.<br />
Sie zeigt eine temperaturabhängige Aufspaltung,<br />
aus der man die Rotationstemperatur des Anthracen-<br />
Moleküls ablesen kann. Besonders interessant ist <strong>für</strong><br />
uns jedoch der weiter rot-verschobene Spektralbereich,<br />
der in der unteren Hälfte von Abb. III.12 wiedergege-<br />
schwache<br />
Absorption<br />
stärkere<br />
Absorption<br />
Abb. III.11: Prinzip der Cavity-Ring-Down-Spektroskopie<br />
(CRDS).
62 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
ben ist. Die Banden, die die gleiche Aufspaltung wie<br />
die Hauptbande aufweisen (Banden a, d und e), werden<br />
Übergängen aus vibrationsangeregten Zuständen<br />
zugeordnet. Ihre Existenz ist also ein Beweis da<strong>für</strong>,<br />
dass die Vibrationen in der Expansion noch nicht<br />
eingefroren sind. Die beiden verbleibenden Banden<br />
(b und c), werden zwei verschiedenen Isomeren des<br />
An•Ar van-der-Waals-Moleküls zugeordnet, das in der<br />
Expansion ebenfalls gebildet wird, aber astrophysikalisch<br />
nicht relevant ist. Bei der Zuordnung hat uns die<br />
in Abb. III.12 dargestellte Temperatur-Abhängigkeit<br />
sehr geholfen. Man sieht, dass die Intensität der heißen<br />
Banden (a, d und e) mit der Temperatur zunimmt,<br />
während die der van-der-Waals-Komplexe annähernd<br />
konstant bleibt. Die im oberen Rahmen von Abb. III.12<br />
dargestellte Kurve wurde von Lambert et al. in einer<br />
Neon-Expansion mit der Methode der laserinduzierten<br />
Fluoreszenz (LIF) gemessen. Hier fehlen natürlich die<br />
An•Ar-Komplexe. Ferner zeigen die heißen Banden<br />
keine Auspaltung, was an einer schlechteren Auflösung<br />
oder an den unterschiedlichen Expansionsbedingungen<br />
liegen kann. Insgesamt kann man aber von einer guten<br />
Übereinstimmung sprechen, was a priori nicht selbstverständlich<br />
ist, da die von uns verwendete Methode<br />
direkt die Absorptionen des Anthracen-Moleküls be-<br />
Fluoreszenzintensität<br />
[willkürliche Einheiten]<br />
Verlust pro Runde [10 3 ppm]<br />
12.0<br />
10.5<br />
9.0<br />
7.5<br />
6.0<br />
a<br />
b c d<br />
e<br />
Lambert et al.<br />
260 °C<br />
240 °C<br />
200 °C<br />
180 °C<br />
361.4 361.8 362.2 362.6<br />
Wellenlänge [nm]<br />
Abb. III.12: CRD-Spektren des neutralen Anthracen-Moleküls,<br />
wie sie in der Expansion eines Düsenstrahls auf der roten Seite<br />
der 0 ← 0 Bande <strong>für</strong> verschiedene Düsentemperaturen gemessen<br />
wurden. Im Vergleich zu den Absorptionsmessungen ist im<br />
oberen Teil der Abbildung ein LIF-Spektrum von Lambert et al.<br />
dargestellt.<br />
stimmt, während die LIF-Methode nur auf Übergänge<br />
empfindlich ist, die anschließend Licht mit größerer<br />
Wellenlänge aussenden. Zusammenfassend halten wir<br />
fest, dass das neutrale Anthracen-Molekül zwar keinen<br />
Beitrag zur Erklärung der DIBs leisten kann, da seine<br />
Absorptionsbanden im UV-Bereich liegen, dass es aber<br />
ein ausgezeichnetes Testmolekül darstellt, mit dem wir<br />
unser Spektrometer testen können und mit dessen Hilfe<br />
wir Aussagen über die Temperaturen im Molekularstrahl<br />
machen können.<br />
Um die Absorptionsspektren von positiv geladenen<br />
PAK-Ionen zu bestimmen, wurde die an Hand von Abb.<br />
III.10 besprochene Elektrodenanordnung verwendet.<br />
Als erstes Kation haben wir den kleineren Verwandten<br />
des Anthracens, das Naphthalen, das aus nur zwei aromatischen<br />
Ringen besteht, ausgewählt, da es bereits<br />
von anderen Autoren untersucht worden war. Es konnte<br />
ein Spektrum gemessen werden, das ausgezeichnet<br />
mit den früheren Resultaten übereinstimmte. Danach<br />
fühlten wir uns ermutigt, uns dem Anthracen-Kation<br />
(An + ) zuzuwenden, das zuvor noch nicht untersucht<br />
worden war und dessen Absorptionsbandenposition<br />
infolgedessen noch nicht bekannt war. Bei ausreichend<br />
hoher Quellentemperatur gelang es uns tatsächlich,<br />
reproduzierbare Spektren aufzunehmen. Die Resultate<br />
Absorbtionsvermögen [willkürliche Einheiten]<br />
Gasphase Argon–Matrix Np +<br />
650 660 670 680 690 700<br />
Gasphase Argon–Matrix<br />
An +<br />
690 700 710 720 730 740<br />
Wellenlänge [nm]<br />
Abb. III.13: Mit Hilfe von CRDS gemessene Gasphasen-<br />
Absorptionsspektren des Naphthalen- (Np + ) und Anthracen-<br />
(An + ) Kations (rote Kurven) im Vergleich zu Ar-Matrix-Daten<br />
(blaue Kurven).
sollen im Folgenden an Hand von Abb. III.13 diskutiert<br />
werden.<br />
In Abb. III.13 sind die von uns mit der CRDS-Methode<br />
im Düsenstrahl gemessenen Absorptionsbanden von<br />
Np + und An + wiedergegeben (rote Kurven) und Spektren<br />
gegenübergestellt, die zuvor in Argon-Matrizen gewonnen<br />
wurden (blaue Kurven). Die Matrixspektroskopie<br />
stellt eine elegante Methode dar, um astrophysikalisch<br />
relevante Moleküle bei tiefen Temperaturen einzufrieren<br />
und ihre Spektroskopie zu studieren, jedoch besitzen<br />
die gewonnenen Ergebnisse wenig Aussagekraft, was<br />
die Identifizierung der DIBs angeht, da die molekularen<br />
Absorptionsbanden durch die Wechselwirkung mit der<br />
Matrix sowohl signifikant verschoben als auch stark verbreitert<br />
werden. Dieser Sachverhalt wird in Abb. III.13<br />
deutlich. Für An + lesen wir eine Verschiebung von 13.6<br />
nm ab, und das Matrix-Spektrum ist um einen Faktor 5<br />
breiter.<br />
Obwohl die von uns gemessene An + -Absorptionsbande<br />
viel schmaler ist als die, die in der Argon-Matrix<br />
beobachtet wurde, ist sie immer noch zu breit, um mit<br />
einer Bande aus den veröffentlichten DIB-Spektren zu<br />
korrespondieren. Man findet zwar eine DIB bei 708.7<br />
nm, also in direkter Nachbarschaft zur An + -Bande<br />
(708.76 nm), jedoch ist letztere um einen Faktor 20<br />
zu breit. Trotzdem sollte man mit einem voreiligen<br />
Schluß, dass das Anthracen-Kation kein geeigneter<br />
DIB-Kandidat ist, noch vorsichtig sein. Beim Naphthalen-Kation<br />
(s. Abb. III.13, oberes Spektrum) war die<br />
Situation zunächst sehr ähnlich. Erst nach einer eingehenden<br />
Suche wurden von Krelowski et al. interstellare<br />
Absorptionsbanden gefunden, die sehr nahe an den<br />
im Laboratorium gemessenen Spektren lagen und die<br />
zudem ähnliche Halbwertsbrei-ten aufwiesen. Es wäre<br />
III.2 Laborastrophysik – ein neues Forschungsgebiet des <strong>MPIA</strong> 63<br />
Abb. III.14: Das CRD-Spektrometer mit den Mitarbeitern<br />
Dr. Angela Staicu (vorn) und Oleksandr Sukhorukov. Man<br />
erkennt die rechteckige Vakuumkammer, in der die gepulste<br />
Düsenstrahlquelle untergebracht ist und den nach vorne zeigenden<br />
Resonator-Arm, durch dessen hochreflektierenden Spiegel<br />
(hinter der weißen Teflonblende) der Laserstrahl eingekoppelt<br />
wird.<br />
also wünschenswert, dass Astro-nomen die Umgebung<br />
der gleichen Sterne, bei denen eine gewisse Koinzidenz<br />
mit den Np + -Spektren gefunden wurde, auch im Spektralbereich<br />
um 710 nm absuchen.<br />
Ein gewisses Problem der Experimente, die in der<br />
Expansion von Düsenstrahlen durchgeführt werden,<br />
stellt der Umstand dar, dass die Translation und Rotation<br />
der Moleküle zwar auf astrophysikalisch relevante<br />
Temperaturen abgekühlt werden, die Vibration jedoch<br />
durch deutlich höhere Temperaturen gekennzeichnet<br />
ist. Zwar ist noch nicht bekannt, wie sich die erhöhte<br />
Vibrationstemperatur auf die Form der Absorptionsbande<br />
(insbesondere ihre Breite) auswirkt, jedoch wäre es<br />
auf jeden Fall wünschenswert, wenn man die Vibration<br />
ebenfalls einfrieren könnte. Eine geeignete Technik,<br />
die dies bewerkstelligt, wird im nächsten Kapitel vorgestellt.<br />
Abb. III.14 zeigt ein Photo des in Jena betriebenen<br />
Cavity-Ring-Down-Spektrometers mit den an diesem<br />
Projekt beteiligten Mitarbeitern A. Staicu und O. Sukhorukov.<br />
(E. Diegel, Th. Henning, F. Huisken, G. Rouillé, A.<br />
Staicu, O. Sukhorukov)
64 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
Spektroskopie von Molekülen in ultrakalten<br />
Heliumtröpfchen<br />
Im vorigen Kapitel wurde die Matrixspektroskopie<br />
angesprochen. Bei dieser Technik werden die zu untersuchenden<br />
Moleküle in Edelgasmatrizen (hauptsächlich<br />
Argon und Neon) eingefroren. Die typischen Arbeitstemperaturen<br />
liegen zwischen 8 und 25 K, und ein besonderer<br />
Vorteil dieser Methode liegt darin, dass sich<br />
Moleküle und Matrix im Temperaturgleichgewicht befinden.<br />
Im Unterschied dazu leiden Düsenstrahlexperimente<br />
unter dem Nachteil, dass die der Vibration zuzuordnende<br />
Temperatur meist erheblich höher als die der anderen<br />
Freiheitsgrade (Translation und Rotation) ist. Ein<br />
weiterer Vorteil der Matrixspektroskopie ist, dass man<br />
auch mit Materialien arbeiten kann, die einen geringeren<br />
Dampfdruck besitzen, da man die Moleküle über<br />
eine längere Zeit »sammeln« kann. Leider werden<br />
diese Vorteile durch einen schwerwiegenden Nachteil<br />
teilweise wieder zunichte gemacht. Duch die van der<br />
Waals-Wechselwirkung der Moleküle mit den umgebenden<br />
Edelgasatomen kommt es zu einer beträchtlichen<br />
Verschiebung der Absorptionslinien des Moleküls, die<br />
leicht mehrere hundert Wellenzahlen betragen kann.<br />
Ausserdem werden die Spektrallinien durch die Wechselwirkung<br />
erheblich verbreitert. Diese beiden Effekte, die<br />
schon anhand von Abb. III.13 diskutiert wurden, haben<br />
zur Folge, dass ein Vergleich zwischen Matrixdaten und<br />
astrophysikalischen Beobachtungen nur wenig aussagekräftig<br />
ist.<br />
Um die Wechselwirkung zwischen Molekül und<br />
Matrix zu minimieren, wäre es wünschenswert, die in<br />
der konventionellen Matrixspektroskopie verwendeten<br />
Edelgase, Argon und Neon, durch Helium zu ersetzen.<br />
Leider ist dies nicht standardmäßig möglich, da Helium<br />
bei normalem oder geringerem Druck keinen festen<br />
Aggregatzustand besitzt. Eine elegante Möglichkeit,<br />
doch Helium als Matrixmaterial einzusetzen, besteht darin,<br />
die zu untersuchenden Moleküle in nanoskopische,<br />
flüssige Heliumtröpfchen einzubetten, die ähnlich wie<br />
ein Molekularstrahl eine Vakuumapparatur durchqueren.<br />
Diese Methode, als deren Pioniere Scoles und Toennies<br />
mit ihren Mitarbeitern genannt werden können, wurde<br />
bereits zur spektroskopischen Charakteri-sierung einer<br />
Reihe von Molekülen eingesetzt.<br />
Das Prinzip der Spektroskopie in Helium-Tröpfchen<br />
soll anhand von Abb. III.15 erklärt werden. In einer<br />
mehrstufigen Vakuumapparatur wird Heliumgas bei hohem<br />
Druck (p = 20 – 40 bar) durch eine gekühlte Düse<br />
(T = 10 – 20 K) mit einem Durchmesser von 5 mm<br />
expandiert. Bei diesen Bedingungen findet ein starke<br />
Abkühlung statt, so dass das Gas kondensiert und nanoskopische<br />
Tröpfchen bildet, die aus hunderten oder sogar<br />
tausenden von Helium-Atomen bestehen. Diese Tröpfchen<br />
– auch Cluster genannt – propagieren in Form eines<br />
»Molekularstrahls« in Richtung des Detektors. Die<br />
Heliumtröpfchen kühlen sich von alleine ab, was dadurch<br />
geschieht, dass Helium-Atome solange abdampfen, bis<br />
die <strong>für</strong> Heliumcluster charakteristische Temperatur von<br />
0.4 K erreicht ist. In einer Zwischenkammer, der sogenannten<br />
Pick-Up-Kammer, werden die zu untersuchenden<br />
Moleküle (M) durch Erhitzen in die Gasphase<br />
gebracht. Wenn sie mit einem Heliumtröpfchen in<br />
Kontakt kommen, bleiben sie auf dessen Oberfläche<br />
haften und wandern anschließend wegen des günstigeren<br />
Energiezustandes in sein Inneres. Die bei diesem Prozess<br />
freiwerdende Energie wird in Form von abdampfenden<br />
Helium-Atomen abgegeben, so dass sich in extrem kurzer<br />
Zeit wieder die ursprüngliche Temperatur von 0.4 K einstellt.<br />
Im weiteren Verlauf wird der Helium-Clusterstrahl<br />
mit einem Laserstrahl zur Wechselwirkung gebracht.<br />
Wenn der Laser auf eine Molekül-Resonanz abgestimmt<br />
ist, werden die Photonen vom Molekül absorbiert, und in<br />
der Folge werden erneut einige hundert Helium-Atome<br />
abgedampft. Schließlich werden die Heliumtröpfchen<br />
bzw. die mitgelieferten Moleküle in der Detektorkammer<br />
mit Hilfe eines Massenspektrometers nachgewiesen.<br />
In der Regel gibt es zwei Möglichkeiten, Spektroskopie<br />
zu betreiben. Sie sind in Abb. III.16 skizziert. Bei der<br />
Depletions-Methode wird die erfolgte Absorption durch<br />
einen Rückgang das Signals (Depletion) nachgewiesen,<br />
das auf der Masse des ionisierten Moleküls (M + )<br />
gemessen wird. Der Rückgang kommt dadurch zustande,<br />
dass bei erfolgter Absorption der Molekularstrahl<br />
aufgeweitet wird, so dass weniger Moleküle durch die<br />
Detektorblende gelangen, und dass wegen des reduzierten<br />
Durchmessers des Helium-Clusters die Ionisierungswahrscheinlichkeit<br />
gesunken ist. Bei der zweiten<br />
Spektroskopiemethode (LIF-Methode) wird ausgenutzt,<br />
dass ein Teil der Energie, die dem Molekül durch die<br />
Laserphotonen zugeführt wird, wieder in Form von<br />
(langwelligeren) Photonen abgegeben wird. Diese mit<br />
laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) bezeichnete Methode<br />
ist allerdings nur nach Anregung elektronischer Zustände<br />
Heliumtröpfchenquelle<br />
Pick-up-Kammer<br />
hn<br />
Detektorkammer<br />
Abb. III.15: Prinzip der Spektroskopie in Helium-Tröpfchen. Die<br />
PAK-Moleküle (als violette Kugeln dargestellt) werden in der<br />
»Pick-Up-Kammer« in die Helium-Tröpfchen eingelagert und<br />
mit dem Laser angeregt, wodurch He-Atome abgedampft werden.<br />
+
anwendbar. Am Rande sei noch erwähnt, dass beide<br />
Methoden (Depletion und LIF) zwar in der Regel gleichzeitig<br />
eingesetzt werden können, aber doch komplementäre<br />
Methoden darstellen. So kann es vorkommen,<br />
dass bei bestimmten Systemen nur die eine oder andere<br />
Technik sinnvoll eingesetzt werden kann.<br />
Im Folgenden sollen die Vorteile der Spektroskopie<br />
in Heliumtröpfchen zusammengefasst werden. Die<br />
Heliumtröpfchen stellen eine ultrakalte, nanoskopische<br />
und supraflüssige Matrix mit einer konstanten Temperatur<br />
von 0.4 K dar. Helium wechselwirkt als Matrix nur<br />
schwach mit den Chromophor-Molekülen, so dass die induzierte<br />
Matrixverschiebung minimal ist. Im Unterschied<br />
zur konventionellen Matrixspektroskopie werden die<br />
Experimente in einem Molekularstrahl durchgeführt.<br />
Dadurch wird der Einsatz eines Massenspektrometers<br />
möglich, wodurch eine zusätzliche Selektivität erreicht<br />
wird. Durch Vergrößerung der Wechselwirkungszone<br />
kann die Pick-Up-Zeit verlängert werden, so dass man<br />
auch mit Molekülen arbeiten kann, deren feste Phase<br />
durch einen geringen Dampfdruck gekennzeichnet ist.<br />
Gasdrücke in der Größenordnung von 10 -6 mbar sind<br />
danach völlig ausreichend. Schließlich erweitert die<br />
Möglichkeit, sowohl die Depletion-Spektroskopie als<br />
auch LIF einsetzen zu können, den Anwendungsbereich<br />
der Methode beträchtlich. So können mit der LIF-Technik<br />
sehr empfindlich Moleküle spektroskopiert werden, die<br />
durch eine kurze Strahlungslebensdauer gekennzeichnet<br />
sind. Auf der anderen Seite bietet sich <strong>für</strong> Moleküle,<br />
die überhaupt nicht fluoreszieren, wie es z. B. <strong>für</strong> große<br />
PAKs der Fall ist, der massenspektrometrische Nachweis<br />
mit der Depletion-Methode an.<br />
Abb. III.16: Die beiden von uns eingesetzten Spektroskopie-<br />
Methoden zur Untersuchung von PAK-Molekülen in Helium-<br />
Tröpfchen: a) Depletion und b) LIF.<br />
a) Depletionsmethode:<br />
Heliumtröpfchen<br />
quelle<br />
Pick-up-<br />
Kammer<br />
b) LIF-Methode:<br />
Heliumtröpfchen-<br />
quelle<br />
Pick-up-<br />
Kammer<br />
III.2 Laborastrophysik – ein neues Forschungsgebiet des <strong>MPIA</strong>. 65<br />
Es soll allerdings nicht verschwiegen werden, dass<br />
die Heliumtröpfchen-Spektrokopie auch einige Nachteile<br />
hat, die hier ebenfalls aufgezählt werden: Wie bei<br />
der konventionellen Matrixspektroskopie erfahren die<br />
Absorptionsbanden durch den Einfluß der Helium-<br />
Matrix eine Verschiebung. Da die Wechselwirkung der<br />
Moleküle mit Helium allerdings viel schwächer als<br />
die mit Neon oder gar Argon ist, fällt auch die Verschiebung<br />
viel weniger ins Gewicht. Ebenso wie in der<br />
konventionellen Matrixspektroskopie zeigen die Absorptionsbanden<br />
eine Verbreiterung, die aber hier auch<br />
wieder deutlich geringer ist. Schließlich tritt bei höheren<br />
Laserleistungen in der Heliumtröpfchen-Spektroskopie<br />
noch ein neues Phänomen auf, das durch den<br />
sogenannten Phononenflügel charakterisiert wird. Der<br />
Phononenflügel wird von einem sich über 30 cm -1 erstreckenden<br />
Absorptionsprofil gebildet, das um etwa 5<br />
cm -1 vom eigentlichen molekularen Übergang zu höheren<br />
Energien hin verschoben ist. Er kommt dadurch<br />
zustande, dass man in Kombination mit der Anregung<br />
des Moleküls auch noch interne Moden des suprafluiden<br />
Helium-Tröpfchens (Rotonen und <strong>Max</strong>onen) anregen<br />
kann. In nicht zu komplizierten Spektren kann dem<br />
Phononenflügel jedoch recht gut Rechnung getragen<br />
werden. Bei Verwendung von kontinuierlichen Lasern<br />
tritt er üblicherweise überhaupt nicht in Erscheinung.<br />
Die ersten PAK-Moleküle, die wir eingehend studiert<br />
haben, waren das aus drei bzw. vier Benzolringen in einer<br />
Reihe zusammengesetzte Anthracen- und Tetracen-<br />
Molekül. Abb. III.17 zeigt im Vergleich die beiden mit<br />
LIF gemessenen Absorptionsspektren, die den jeweiligen<br />
S1 ← S0 Übergängen zuzuordnen sind. Die Ursprünge<br />
dieser Übergänge liegen bei 27 627.4 cm -1 (362.0 nm)<br />
<strong>für</strong> Anthracen und 22 295.8 cm -1 (448.5 nm) <strong>für</strong> Tetracene.<br />
Die Ursprungsbande von Tetracen zeigt eine Aufspaltung<br />
von 1.1 cm -1 , deren Ursache noch nicht ver-<br />
durchstimmbarer<br />
Laser<br />
Detektorkammer<br />
50 µs<br />
durchstimmbarer<br />
Laser<br />
Photo<br />
multiplier<br />
Detektorkammer<br />
Langpassfilter<br />
Signal<br />
0 200 400<br />
Flugzeit<br />
30-1000 ns<br />
0 ~10<br />
Zeit [µs]<br />
Signal
66 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
standen ist, die aber sicherlich von der Wechselwirkung<br />
mit dem Heliumcluster herrührt. Weiter rechts, ab 4<br />
cm -1 beginnt der bereits diskutierte Phononenflügel.<br />
Das Tetracen-Spektrum zeigt ähnliche Strukturen (eine<br />
Aufspaltung des <strong>Max</strong>imums und ein langsam abklingender<br />
Flügel bei höheren Energien), ist aber deutlich verbreitert.<br />
Insbesondere fehlt hier die Lücke zwischen dem<br />
Ursprung und dem Phononenflügel. Da die Spektren<br />
von Antracen und Tetracen keinerlei Korrespondenz mit<br />
bekannten DIBs zeigen, sollen sie hier auch nicht weiter<br />
diskutiert werden.<br />
Interessanter erscheint dagegen das Absorptionsspektrum<br />
des zyklischen, aus vier Benzolringen zusammengesetzten<br />
Pyren-Moleküls. Pyren wird nämlich<br />
mit einer blauen Photolumineszenz in Verbindung<br />
gebracht, die kürzlich von A. Witt und Mitarbeitern im<br />
Roten Rechteck entdeckt wurde. Möglicherweise könnte<br />
ihre Hypothese dadurch bestätigt werden, dass die<br />
zugehörigen UV-Absorptionen des Pyren-Moleküls im<br />
Bereich des Roten Rechtecks nachgewiesen werden.<br />
Die von uns gemessenen UV-Spektren des Pyren-<br />
Moleküls sind in Abb. III.18 zusammengestellt. Die oberen<br />
beiden Spektren wurden in Helium-Tröpfchen mit<br />
der LIF- bzw. Depletion-Methode gemessen. Wie man<br />
mit Hilfe der senkrechten gestrichelten Linien erkennt,<br />
korrespondieren die beiden Spektren sehr gut miteinander,<br />
was die gesamte Breite und sogar Einzelheiten<br />
der Struktur betrifft. Das untere Spektrum wurde mit<br />
Hilfe der im vorigen Kapitel beschriebenen CRDS-<br />
Methode in der Gasphase bestimmt. Zum besseren<br />
Vergleich wurde letzteres Spektrum um 0.8 nm zu größeren<br />
Wellenlängen hin (rot)verschoben. Die zunächst<br />
untypische, relativ komplizierte Struktur der Spektren<br />
kommt dadurch zustande, dass der gemessene S 2 ←<br />
S 0 Übergang mit dem ersten elektronisch angeregten<br />
Zustand (S 1 ) mischt. Abgesehen von der Verschiebung<br />
zeigt ein Vergleich der Helium- und Gasphasenspektren,<br />
dass die drei durch Pfeile gekennzeichneten Banden in<br />
den Heliumspektren nicht so deutlich hervortreten.<br />
Dies liegt daran, dass es in den Heliumspektren zu jeder<br />
in der Gasphase beobachteten Bande einen um 0.05<br />
nm nach links verschobenen Phononenflügel gibt, der<br />
die Täler zwischen den <strong>Max</strong>ima teilweise zuschüttet.<br />
Modellrechnungen, die das CRDS-Spektrum mit einem<br />
typischen Phononenflügel falten, zeigen qualitativ recht<br />
gute Übereinstimmung mit den in den Heliumtröpfchen<br />
gemessenen Spektren. Zusammenfassend kann also<br />
gesagt werden, dass die Absorptionsspektren von<br />
Pyren in Heliumtröpfchen zwar eine Rotverschiebung<br />
von 0.9 nm erfahren, dass aber der Gesamtcharakter<br />
des Gasphasenspektrums erhalten bleibt und dass<br />
die Verbreiterung der Strukturen verstanden wird.<br />
Wenn man bedenkt, dass die Rotverschiebungen der<br />
Pyren-Absorption in der Neon-Matrix 4.9 nm und in<br />
der Argon-Matrix sogar 9.7 nm betragen, so ist der<br />
Matrixeffekt durch die Heliummatrix doch vergleichsweise<br />
gering.<br />
Intensität [willkürliche Einheiten]<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
Tetrazen<br />
Anthrazen<br />
Relative Wellenzahl [cm –1 –4 –2 0 2 4 6 8 10 12<br />
]<br />
Abb. III.17: LIF-Spektren der PAK-Moleküle, Anthracen und<br />
Tetracen, in He-Tröpfchen.<br />
Normalisierte Intensität<br />
2.0<br />
1.8<br />
1.6<br />
1.4<br />
1.2<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.0<br />
321.0 321.5 322.0 322.5<br />
Wellenlänge [nm]<br />
Abb. III.19 zeigt die Molekularstrahlapparatur, an<br />
der die Experimente mit den Heliumtröpfchen von<br />
Serge Krasnokutski durchgeführt werden. Durch den<br />
im Vordergrund sichtbaren Schlauch wird flüssiges<br />
Helium zur Kühlung der Düse zugeführt, aus der die<br />
Heliumtröpfchen expandiert werden.<br />
LIF<br />
MBDS<br />
CRDS<br />
Abb. III.18: Drei Absorptionsspektren des Pyren-Moleküls,<br />
gemessen in He-Tröpfchen sowohl mit der LIF- als auch<br />
Depletion-Methode (MBDS) und der Gasphase (CRDS). Das<br />
CRDS-Spektrum wurde um 0.8 nm zu größeren Wellenlängen<br />
verschoben.<br />
(F. Huisken, S. Krasnokutski, Th. Henning)
Abb. III.19: Die Molekularstrahlapparatur, in der die Helium-<br />
Tröpfchen erzeugt und mit eingelagerten Molekülen spektroskopiert<br />
werden. Serge Krasnokutski zieht die letzte Schraube<br />
an, bevor die Kammern evakuiert werden. Im Vordergrund<br />
erkennt man den Metallschlauch, durch den flüssiges Helium<br />
zur Kühlung der Düse zugeführt wird.<br />
Charakterisierung der Leuchteigenschaften von<br />
kristallinen Silizium-Nanoteilchen<br />
Seit einigen Jahren untersuchen wir in der Arbeitsgruppe<br />
Silizium-Nanoteilchen, die durch Laserpyrolyse<br />
mit einem CO 2 -Laser hergestellt werden. Die besondere<br />
Eigenschaft dieser Teilchen, die sie auch <strong>für</strong> die<br />
Astrophysik interessant macht, besteht darin, dass sie<br />
bei Anregung mit ultraviolettem Licht intensiv im Roten<br />
leuchten. Während ein Silizium-Festkörper als indirekter<br />
Halbleiter nicht zum Leuchten gebracht werden<br />
kann, tritt dieses Phänomen erst in Erscheinung, wenn<br />
die Abmessungen des Silizium-Kristalls auf nanoskopische<br />
Dimensionen reduziert werden. Bei einem<br />
Silizium-Teilchen von z. B. 2 nm Durchmesser, ist die<br />
elektronische Wellenfunktion bereits so stark komprimiert,<br />
dass dadurch – als Folge der Heisenbergʼschen<br />
Unschärferelation – eine erhebliche Verbreiterung der<br />
zugehörigen Impuls-Verteilungen stattfindet. Dadurch<br />
wird das Material quasi zu einem direkten Halbleiter,<br />
in dem die zuvor nicht erlaubte Photolumineszenz (PL)<br />
nun möglich wird. Die radiative Rekombination der<br />
Elektronen-Loch-Paare wird ferner dadurch begünstigt,<br />
dass der Einfluß von Defekten in nanoskopischen<br />
Silizium-Kristalliten weniger zum Tragen kommt.<br />
III.2 Laborastrophysik – ein neues Forschungsgebiet des <strong>MPIA</strong> 67<br />
Ein weiterer quantenmechanischer Effekt, der durch<br />
die reduzierte Dimension in Erscheinung tritt, ist die<br />
Vergrößerung der Bandlücke, d. h. des Energieabstandes<br />
zwischen Leitungs- und Valenzband. Je kleiner der Teilchendurchmesser<br />
wird, desto größer wird die Bandlücke<br />
und damit die Energie der emittierten Photonen. Man<br />
erwartet also, dass sich die PL-Wellen-länge mit abnehmender<br />
Größe der Silizium-Nanoteilchen vom Infraroten<br />
über Rot zu Orange verschiebt, wobei die Effizienz der<br />
PL in dieser Richtung ansteigen sollte. Die Ursache<br />
<strong>für</strong> die neuen Eigenschaften, die vom Festkörper nicht<br />
bekannt sind und die erst als Folge der reduzierten<br />
Dimensionen auftreten, wird auch als »Quantum Confinement«<br />
bezeichnet.<br />
Der beschriebene Effekt wurde zum ersten Mal von<br />
Canham im Jahre 1990 in porösem Silizium beobachtet.<br />
Durch eine chemische Behandlung mit Flußsäure wurde<br />
die Oberfläche eines Silizium-Wafers so aufgeätzt,<br />
dass nanoskopische Struturen aus kristallinem Silizium<br />
entstanden. Bei Beleuchtung mit UV-Licht zeigten die<br />
Proben ein intensives Leuchten im roten Spektralbereich.<br />
Wegen der besonderen Bedeutung von Silizium <strong>für</strong><br />
die Elektronik-Industrie und der nun möglich erscheinenden<br />
Herstellung von lichtemittierenden elektronischen<br />
Bauteilen auf Silizium-Basis setzte ein wahrer<br />
Forschungsboom ein. Während sich die Untersuchungen<br />
zunächst auf poröses Silizium beschränkten, wandte<br />
man sich in den Folgejahren zunehmend den viel besser<br />
charakterisierten Silizium-Nanoteilchen zu, die in Form<br />
von Pulvern oder dünnen Filmen auf Substraten hergestellt<br />
werden.<br />
Neben der Bedeutung, die Silizium-Nanoteilchen <strong>für</strong><br />
diverse technologische Anwendungen haben, erkannte<br />
man früh, dass aus Silizium bestehende Staubteilchen
68 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
CO2 Laser<br />
l = 10.7 mm<br />
Quellenkammer<br />
Linse<br />
zur Diffusionspumpe<br />
Abb. III.20: Schematische Darstellung der Molekularstrahlapparatur<br />
zur Erzeugung, Selektion und Größenanalyse von<br />
Silizium-Nanoteilchen.<br />
auch <strong>für</strong> Astrophysiker interessant sein könnten. Es<br />
zeigte sich nämlich, dass die sogenannte »Extended Red<br />
Emission« (ERE), ein rotes Leuchten, das zunächst im<br />
Roten Rechteck, später in verschiedenen Objekten und<br />
schließlich sogar im Diffusen Interstellaren Medium beobachtet<br />
worden war, eine auffallende Ähnlichkeit mit der<br />
Photolumineszenz von Silizium-Nanokristalliten besaß.<br />
So enstand sehr schnell die Vermutung, dass Silizium-<br />
Nanoteilchen vielleicht die Träger der ERE sein könnten.<br />
Um dieser Frage nachzugehen, wurden in Zusammenarbeit<br />
mit der französischen Arbeitsgruppe von Cécile Reynaud<br />
am CEA Saclay ein dezidiertes Forschungsprogramm<br />
durchgeführt. Um wirklich aussagekräftige Resultate zu<br />
erzielen, erschien es uns besonders wichtig, die Silizium-<br />
Nanokristallite in größter Reinheit mit sehr enger, aber<br />
frei wählbarer Größenverteilung herzustellen und ihr<br />
Absorptions- und Emissionsverhalten nicht nur qualitativ<br />
sondern auch quantitativ zu bestimmen.<br />
SiH 4<br />
He<br />
Differentialkammer<br />
Probenhalter<br />
Chopper<br />
Filter<br />
zur Pumpe<br />
zum TOFMS<br />
Die Silizium-Nanokristallite werden in einem Flussreaktor<br />
durch Pyrolyse von Silan-Molekülen (SiH4)<br />
mit einem gepulsten CO 2 -Laser und anschließende<br />
Kondensation der Silizium-Atome hergestellt. In der<br />
sonst schematischen Darstellung von Abb. III.20 ist<br />
der Reaktionsbereich als Foto wiedergegeben. Eine<br />
von rechts in das Reaktionsvolumen ragende konische<br />
Düse extrahiert einen Bruchteil der Si-Nanoteilchen und<br />
überführt sie in einen nach rechts propagierenden, durch<br />
den roten Pfeil gekennzeichneten »Molekularstrahl«.<br />
Je nachdem, ob ein Probenhalter in den Strahl gefahren<br />
wurde, werden die Si-Nanoteilchen auf einem<br />
Substrat deponiert oder ihre Masse bzw. Größe in<br />
einem nachgeschalteten Flugzeitmassenspektrometer<br />
(TOFMS) bestimmt. Abb. III.21 zeigt ein Photo der<br />
Si-Nanoteilchen-Apparatur mit dem Mitarbeiter Alban<br />
Colder. Im Vordergrund links ist das zwei Meter lange<br />
Flugzeitrohr des Massenspektrometers zu erkennen. Der<br />
CO 2 -Laser (hier nicht sichtbar) befindet sich auf dem<br />
roten Gestell.<br />
Abb. III.21: Die in Abb. III.20 schematisch dargestellte Molekularstrahlapparatur<br />
mit dem Mitarbeiter Dr. Alban Colder.
Da die Geschwindigkeit der Nanoteilchen mit ihrer<br />
Größe korreliert, erlaubt der vor dem Probenhalter<br />
installierte Chopper eine Größenselektion der Si-Nanoteilchen.<br />
Damit ist es z. B. möglich, die Si-Nanoteilchen<br />
so auf dem Substrat zu verteilen, dass ihre Größe<br />
kontinuierlich von links nach rechts zunimmt. Strukturuntersuchungen<br />
mit einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop<br />
haben gezeigt, dass die durch<br />
Laserpyrolyse hergestellten Si-Nanoteilchen einen monokristallinen<br />
Kern mit der gleichen Kristallstruktur wie<br />
beim Festkörper besitzen und dass dieser Kern von eine<br />
amorphen SiO 2 -Schicht umgeben ist, der durch Oxidation<br />
an Luft entstanden ist. Es sei noch betont, dass die<br />
Oxidhülle eine wichtige Funktion übernimmt, da sie die<br />
ungesättigten Bindungen an der Oberfläche des Silizium-<br />
Kristallits absättigt. Ohne diese Passivierung könnten die<br />
Si-Nanoteilchen nicht zum Leuchten gebracht werden.<br />
PL– Intensität [willkürliche Einheiten]<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.0<br />
Wellenlänge [nm]<br />
500 600 700 800 900<br />
2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4<br />
PL – Energie [eV]<br />
1 cm<br />
Abb. III.22: Photolumineszenz-Kurven von Si-Nanoteilchen<br />
unterschiedlicher Größe, die größenselektiv im Molekularstrahl<br />
auf einem Substrat abgeschieden worden waren. Das Photo im<br />
unteren Teil der Abbildung zeigt die leuchtende Schicht der Si-<br />
Nanoteilchen nach Anregung durch eine UV-Lampe.<br />
III.2 Laborastrophysik – ein neues Forschungsgebiet des <strong>MPIA</strong>. 69<br />
Abb. III.22 zeigt ein Photo einer mit dieser Methode<br />
erzeugten Schicht von Silizium-Nanoteilchen, die<br />
durch Bestrahlung mit UV-Licht zum Leuchten gebracht<br />
wurden. Im unteren Teil der Abbildung ist eine<br />
Photomontage wiedergegeben, die das 1 1 cm 2 große<br />
Quarz-Substrat und den darauf deponierten runden<br />
Fleck von Si-Nanoteilchen darstellt. Ein Bruchstück<br />
des Quarzplättchens wurde mit UV-Licht bestrahlt und<br />
mit einer digitalen Kamera photographiert. Man erkennt<br />
deutlich, dass die Farbe der leuchtenden Si-Nanoteilchen<br />
von orange bis dunkelrot variiert. Ferner wurde die Photolumineszenz<br />
der Si-Nanoteilchen entlang einer horizontalen<br />
Linie mit einem empfindlichen Spektrometer<br />
analysiert. So konnten die im oberen Teil der Abbildung<br />
wiedergegebenen PL-Kurven gewonnen werden. Diese<br />
Kurven zeigen, dass die Si-Nanoteilchen im rechten Teil<br />
der deponierten Schicht im nahen Infrarot »leuchten«.<br />
Insgesamt decken die <strong>Max</strong>ima der PL-Kurven einen<br />
Spektralbereich von etwa 600 bis 850 nm ab.<br />
Die unterschiedliche Farbe der leuchtenden Si-Nanoteilchen<br />
kann auf der Basis des Quantum Confinement<br />
erklärt werden. Von links nach rechts nimmt die Größe<br />
der Si-Nanoteilchen stetig zu, und, wie zuvor diskutiert,<br />
geht mit der Vergrößerung des Durchmessers<br />
eine Verkleinerung der Bandlücke einher und damit<br />
eine Verschiebung der Photolumineszenz zu größeren<br />
Wellenlängen. Theoretische Untersuchungen ergeben<br />
eine Zunahme der Bandlücke E gap (bezogen<br />
auf die Bandlücke des Festkörpers) entsprechend einem<br />
inversen Potenzgesetz mit d – 1.39 , wobei d <strong>für</strong><br />
den Teilchendurchmesser steht. Abb. III.23 zeigt, dass<br />
unsere Si-Nanoteilchen sehr schön diese Abhängigkeit<br />
erfüllen. Damit wird bewiesen, dass das Leuchten der<br />
durch Laserpyrolyse hergestellten Si-Nanoteilchen allein<br />
auf dem Quantum Confinement beruht und dass<br />
andere Effekte keine Rolle spielen. Weiterhin macht<br />
die in Abb. III.23 dargestellte Abhängigkeit zwischen<br />
Teilchendurchmesser und PL-Energie deutlich, dass eine<br />
unterschiedliche Größenverteilung der Silizium-Nanoteilchen<br />
(verschiedenes <strong>Max</strong>imum oder unterschiedliche<br />
Breite der Verteilung) auch eine unterschiedliches<br />
PL-Spektrum bewirkt. Und umgekehrt kann man zu<br />
jeder beliebigen PL-Kurve die Größenverteilung der Si-<br />
Nanoteilchen bestimmen, die diese PL hervorrufen.<br />
Abb. III.24 zeigt das Rote Rechteck, in dem die<br />
Extended Red Emission zum ersten Mal beobachtet<br />
wurde. Die ERE stellt sich als eine 120 – 190 nm breite<br />
Emissionsbande im roten Spektralbereich zwischen 600<br />
und 850 nm dar. Nachdem sie in verschiedenen Regionen<br />
des interstellaren Raums beobachtet worden war, ist nun<br />
allgemein anerkannt, dass sie von der Photolumineszenz<br />
einer interstellaren Staubkomponente herrührt. Der interstellare<br />
Staub setzt sich aus kleinen Teilchen mit<br />
Durchmessern zwischen 1 und 100 nm zusammen und<br />
besteht im wesentlichen aus den Elementen Kohlenstoff,<br />
Sauerstoff und Silizium. Die Einschränkung, dass die<br />
Quantenausbeute des ERE-Trägers größer als 10 % sein
70 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
PL– Spitze – Position [eV]<br />
2.4<br />
2.2<br />
2.0<br />
1.8<br />
1.6<br />
1.4<br />
E = E 0 +<br />
3.73<br />
d 1.39<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10<br />
Durchmesser [nm]<br />
Abb. II.23: (oben) Theoretische Abhängigkeit der Position des<br />
PL-<strong>Max</strong>imums von der Größe der Silizium-Nanoteilchen (rote<br />
Kurve) im Vergleich mit experimentellen Daten, die an verschiedenen<br />
Proben gewonnen wurden.<br />
Abb. III.24: (unten) Das Rote Rechteck (HD 44179), ein protoplanetarer<br />
Nebel, 1000 Lichtjahre von der Erde entfernt. (HST)<br />
muß, hat die Anzahl der möglichen Kandidaten wesentlich<br />
eingeschränkt und das Interesse an der ERE<br />
neu belebt. Tatsächlich kommen nun die zuvor favorisierten<br />
Kohlenstoffteilchen – z. B. hydrogenisierter<br />
amorpher Kohlenstoff, die bereits im Zusammenhang<br />
mit den DIBs diskutierten polyzyklischen aromatischen<br />
Kohlenwasserstoffe (PAKs), Fullerene und andere organische<br />
Verbindungen – wegen ihrer extrem niedrigen<br />
Photolumineszenz-Ausbeute im Roten sehr wahrscheinlich<br />
nicht mehr in Frage. Wie im Folgenden gezeigt wird,<br />
scheinen stattdessen kristalline Silizium-Nanoteilchen<br />
viel besser die geforderten Bedingungen zu erfüllen.<br />
Zunächst wollen wir die astronomischen Beobachtungen<br />
mit Laborspektren vergleichen, die von uns<br />
an verschiedenen Proben von Silizium-Nanoteilchen<br />
gemessen wurden. Für Abb. III.25 wurden vier ERE-<br />
Beobachtungen aus drei verschiedenen Regionen ausgewählt<br />
(blaue Kurven). Um eine möglichst große<br />
Spannbreite darzustellen, wurde die Auswahl so getroffen,<br />
dass sich die <strong>Max</strong>ima in der Reihenfolge a) bis d)<br />
kontinuierlich von rot bis infrarot (von 650 bis 800 nm)<br />
fortpflanzen. Diesen Kurven haben wir vier PL-Banden<br />
von Silizium-Nanoteilchen gegenübergestellt, die wir<br />
mit dem Ziel einer möglichst guten Übereinstimmung<br />
aus unserer Labor-Datenbank ausgewählt haben (rote<br />
Kurven). Man beachte, dass es sich bei den roten<br />
Kurven nicht um angepaßte Modellrechnungen, sondern<br />
um experimentelle Daten handelt. Die mittlere Größe<br />
der Si-Nanoteilchen, an denen die Spektren gemessen<br />
wurden, variiert von 2.8 (a) bis 4.5 nm (d), wobei die<br />
Halbwertsbreiten der Größenverteilungen zwischen 1.0<br />
und 1.5 nm variieren. Obwohl die Übereinstimmung<br />
zwischen Beobachtung und Laborexperiment bereits<br />
recht zufriedenstellend ist, sollte erwähnt werden, dass<br />
man einen noch besseren Vergleich erzielt, wenn man<br />
die in Abb. III.23 dargestellte Korrelation zwischen<br />
Si-Nanoteilchengröße und PL-Position benutzt und simulierte<br />
PL-Banden an die beobachteten ERE-Spektren<br />
anpaßt. Als Resultat erhält man dann die Parameter der<br />
Si-Nanoteilchenverteilung, die exakt die gleiche PL-<br />
Kurve erzeugen würde.<br />
Bevor die Diskussion der spektralen Varianz der Si-<br />
Nanoteilchenspektren abgeschlossen wird, sollte noch<br />
erwähnt werden, dass die kürzeste Wellenlänge, die<br />
<strong>für</strong> ein PL-<strong>Max</strong>imum im Labor beobachtet wurde, 600<br />
nm beträgt und damit mit dem kurzwelligsten ERE-<br />
<strong>Max</strong>imum zusammenfällt. Im langwelligen Bereich<br />
liegt die theoretische Grenze <strong>für</strong> Si-Nanoteilchen bei<br />
1060 nm. Die zugehörigen Quantenausbeuten sind aber<br />
äußerst gering, so dass es verständlich ist, dass man<br />
diese Wellenlängen in interstellaren Staubwolken nicht<br />
beobachten kann. Wie bereits erwähnt, liegt hier die<br />
obere Grenze bei etwa 850 nm.<br />
Wie sieht es nun mit den Quantenausbeuten <strong>für</strong><br />
die Photolumineszenz der Si-Nanoteilchen aus? (Kohlenstoffhaltige<br />
Staubteilchen schieden ja wegen ihrer<br />
extrem niedrigen Wahrscheinlichkeit, UV-Licht in PL-
NGC 2023<br />
NGC 2327<br />
400 500 600 700 800<br />
Wellenlänge [nm]<br />
Abb. III.25: Vergleich einiger ERE-Spektren (blaue Kurven) mit<br />
Spektren, die im Labor an Silizium-Nanoteilchen unterschiedlicher<br />
Größe gemessen wurden<br />
Photonen umzuwandeln, als Träger der ERE aus.) Um<br />
diese Frage beantworten zu können, wurden quantitative<br />
PL-Messungen mit geeichten Optiken und Instrumenten<br />
durchgeführt. Durch Messung der UV-Absorption und der<br />
Intensität der emittierten PL-Photonen, konnten in hochwertigen<br />
Si-Nanoteilchen-Filmen Quantenausbeuten<br />
von bis zu 30 % gemessen werden. Es ist zu beachten,<br />
dass dieser Wert eine untere Grenze darstellt, da auf<br />
der Probe vorhandene größere Si-Nanoteilchen den<br />
gemessenen Wert nach unten drücken. Berücksichtigt<br />
man den Beitrag der größeren Teilchen, so erhält man<br />
Quantenausbeuten von etwa 90 %. Diese extrem hohe<br />
PL-Effizienz stellt einen weiteren Pluspunkt <strong>für</strong><br />
Si-Teilchen als Träger der ERE dar. Zum Schluß sei<br />
erwähnt, dass die hohen Quantenausbeuten nur <strong>für</strong><br />
3.5 nm große Si-Teilchen gelten. Mit zunehmendem<br />
Teilchendurchmesser nimmt die PL-Wahrscheinlichkeit<br />
drastisch ab, womit erklärt werden kann, dass die theoretisch<br />
erreichbaren großen Wellenlängen tatsächlich nicht<br />
beobachtet werden.<br />
Mit Kenntnis der Quantenausbeuten kann man ausrechnen,<br />
wie der groß der Anteil der Si-Nanoteilchen an<br />
den gesamten Staubteilchen des diffusen interstellaren<br />
Mediums sein muß, wenn Si-Nanoteilchen die Urheber<br />
der ERE sollen. Nimmt man der Einfachheit halber an,<br />
dass die Quantenausbeute der Si-Nanoteilchen 100 %<br />
beträgt, dass also jedes absorbierte UV-Photon in ein<br />
PL-Photon umgewandelt wird, so errechnet man, dass<br />
nur 1 Massenprozent der gesamten Staubteilchen Si-<br />
Nanoteilchen sein müssen. In vielen anderen Objekten<br />
sind die Bedingungen weit weniger stringent, so dass<br />
man dort mit Konzentrationen von Si-Nanoteilchen auskommt,<br />
die um Größenordnungen geringer sein dürfen.<br />
a)<br />
b)<br />
III.2 Laborastrophysik – ein neues Forschungsgebiet des <strong>MPIA</strong> 71<br />
Rotes Rechteck<br />
NGC 2023<br />
400 500 600 700 800<br />
Wellenlänge [nm]<br />
Bei den vielen bestechenden Eigenschaften, die Si-<br />
Nanoteilchen als Träger der ERE empfehlen, soll aber<br />
nicht verschwiegen werden, dass es auch kritische Anmerkungen<br />
gibt. So haben z. B. Li und Draine durch Modellrechnungen<br />
gezeigt, dass 3.5 nm große, sauerstoff-<br />
passivierte Si-Teilchen im NGC 2023 eine Temperatur<br />
von circa 70 K erreichen sollten und dass sie bei dieser<br />
Temperatur als Folge der angeregten SiO-Schwingungen<br />
bei 20 mm emittieren sollten, was aber nicht be-<br />
obachtet wird. Dagegen ist einzuwenden, dass die Modellrechnungen<br />
auf Oxid-Schichtdicken basieren, wie<br />
sie in der sauerstoffreichen Atmosphäre der Erde angenommen<br />
werden. Sauerstoffarme Umgebungen würden<br />
zu Si-Nanoteilchen mit viel geringerer Oxidbelegung<br />
führen, was ein bedeutend geringere Emission bei 20 mm<br />
zur Folge hätte. Ein anderer Weg aus der Problematik<br />
wäre, dass die Si-Nanoteilchen zu Clustern agglomeriert<br />
oder in größere Staubpartikel eingebettet sind. Beides<br />
würde zu niedrigeren Temperaturen und damit zu einer<br />
schwächeren Emission führen. Untersuchungen an<br />
Agglomeraten und an Si-Nanoteilchen, die in Festkörpermatrizen<br />
eingebettet sind, werden zur Zeit von der<br />
Laborastrophysik-Gruppe in Jena durchgeführt.<br />
Der besondere Charme von Silizium-Nanoteilchen als<br />
Urheber der Extended Red Emission besteht darin, dass<br />
eine einzige Spezies ausreicht, um die gesamte Varianz<br />
der astrophysikalischen Beobachtungen zu erklären. Als<br />
einzige Parameter bestimmen der mittlere Durchmesser<br />
der Si-Nanoteilchen und die Breite ihrer Größenverteilung<br />
die Position und Breite der ERE-Bande. Da die charakteristischen<br />
Leuchteigenschaften der Si-Nanoteilchen<br />
durch das Quantum Confinement bestimmt werden,<br />
wäre es das erste Mal, dass ein quantenmechanischer<br />
Effekt herangezogen wird, um ein astrophysikalisches<br />
Phänomen zu erklären.<br />
(A. Colder, J. Gong, O. Guillois, F. Huisken,<br />
G. Ledoux)<br />
c)<br />
d)
72 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
III.3 Die geheimnisvollen Zentren der Galaxien<br />
Hochauflösende Studien des Zentrums unserer Galaxis,<br />
von dem wir heute wissen, dass es ein massereiches<br />
Schwarzes Loch beherbergt, und ausführliche<br />
Beobachtungen der Quasare, den aktivsten galaktischen<br />
Kernen, haben die Frage aufgeworfen, ob die Zentren<br />
aller Galaxien so außergewöhnliche Eigenschaften<br />
besitzen. Das Weltraumteleskop HUBBLE, sowie CONICA<br />
und MIDI, die neuen hoch auflösenden Instrumente des<br />
VLT, bieten nun die Gelegenheit, diese Frage empirisch<br />
anzugehen.<br />
Warum sind Galaxienzentren interessant?<br />
Aus den Gesetzen der Physik folgt nicht notwendigerweise,<br />
dass in den Zentren von Galaxien – entweder<br />
definiert als der geometrische Mittelpunkt oder als das<br />
Minimum des Gravitationspotential einer Galaxie – einzigartige<br />
lokale physikalische Bedingungen herrschen<br />
müssen, die sich erheblich von irgendeinem anderen Ort<br />
der umgebenden Galaxie unterscheiden. Mit anderen<br />
Worten, Galaxienzentren müssen über ihre geometrische<br />
Interpretation hinaus nichts »Besonderes« sein.<br />
Doch im Laufe des letzten halben Jahrhunderts<br />
hat sich immer mehr gezeigt, dass – zumindest bei<br />
den meisten Galaxien – die Zentren tatsächlich etwas<br />
Besonderes sind, und das nicht nur im Hinblick auf die<br />
oft hohen Sterndichten. Historisch bestand der erste<br />
Hinweis darin, dass Galaxienzentren eine breite Vielfalt<br />
an »Aktivitäten« zeigten. Dabei handelt es sich häufig<br />
um sehr energiereiche Prozesse, die sich über das gesamte<br />
elektromagnetische Spektrum hinweg offenbaren,<br />
von Gammastrahlen bis zu Radiowellen, und die nicht<br />
von »normalen« Sternpopulationen angetrieben werden<br />
können, die in unserem heutigen Universum überall,<br />
nur nicht in Galaxienzentren, die vorherrschende<br />
Strahlungsquelle darstellen. Bereits vor 40 Jahren wurden<br />
Schwarze Löcher, die Materie aufsammeln, als die<br />
wahrscheinlichsten Motoren aktiver galaktischer Kerne<br />
identifiziert, und zwar aufgrund der hohen Effizienz der<br />
Energieerzeugung, aufgrund der engen Obergrenzen<br />
<strong>für</strong> das Volumen, das <strong>für</strong> die Energieerzeugung zur<br />
Verfügung steht, und aufgrund direkt beobachteter relativistischer<br />
Effekte. In den extremsten Fällen solcher<br />
Kernaktivität, den hellen Quasaren (QSO) oder<br />
Radiogalaxien, kann die Leuchtkraft des Kerns die<br />
umgebende Galaxie um Größenordnungen überstrahlen.<br />
Im Laufe dieser Studien wurde aber auch die<br />
Komplexität des Themas deutlich, da bei den meisten<br />
aktiven Galaxien gleichzeitig auch junge Sterne und<br />
Sternentstehung im innersten Parsec-Bereich eine Rolle<br />
spielen.<br />
Obwohl solche QSO in allen Epochen sehr viel<br />
seltener sind als normale Galaxien, ist es heute klar,<br />
dass aktive Kerne keine Exoten sind, sondern relativ<br />
kurzlebige Phasen, die wahrscheinlich im Leben aller<br />
massereichen Galaxien an irgendeinem Punkt vorkommen.<br />
Zum Teil ergab sich diese Erkenntnis aus den<br />
vermehrt auftauchenden Hinweisen, dass auch inaktive<br />
Galaxien supermassereiche Schwarze Löcher (10 6 – 10 9<br />
M ) besitzen. Den schönsten und überzeugendsten<br />
Beweis <strong>für</strong> ein solches Schwarzes Loch lieferte unser<br />
eigenes Milchstraßensystem. Ebenso stellte sich in den<br />
letzten fünf Jahren heraus, dass alle Galaxien – zumindest<br />
diejenigen mit einem deutlich ausgeprägten stellaren<br />
»Bauch« (engl. Bulge) – in ihrem Zentrum ein<br />
Schwarzes Loch beherbergen, dessen Masse aus den<br />
strukturellen Eigenschaften der umgebenden Galaxie auf<br />
einen Faktor Zwei genau vorhergesagt werden kann. Da<br />
Schwarze Löcher durch Anlagerung von Masse wachsen,<br />
folgt daraus, dass die meisten massereichen Galaxien eine<br />
ähnliche Geschichte der zentralen Massenakkretion<br />
(oder Kernaktivität) durchlebt haben müssen.<br />
Eine seit langem bestehende Frage lautet, in welchem<br />
Maße die breite, fast verwirrende Palette der beobachteten<br />
Kernaktivitäten auf einer Vielzahl unterschiedlicher<br />
physikalischer Bedingungen beruht oder auf anderen<br />
Faktoren, wie zum Beispiel der Orientierung des »zentralen<br />
Motors« bezüglich des speziellen Sichtwinkels,<br />
unter dem wir die einzelnen Galaxien beobachten.<br />
Insbesondere zeigen sich einige aktive Kerne nur bei<br />
Wellenlängen, bei denen die Strahlung leicht Staub<br />
durchdringen kann, wie die Infrarot-, Radio- und harte<br />
Röntgenstrahlung. Ein Ring aus Gas und Staub, der<br />
einen zentralen Akkretionsvorgang umgibt, ist ein häufiger<br />
und erfolgreicher Bestandteil eines »vereinheitlichten<br />
Modells«, das von verschiedenen Blickwinkeln aus<br />
beobachtet, sehr unterschiedlich aussehen kann.<br />
Wie immer in der Forschung führen neue Entdeckungen,<br />
Hinweise und Erkenntnisse zu mehr neuen Fragen<br />
als Antworten. Eine Reihe davon sind <strong>2003</strong> bei der Erforschung<br />
von Galaxienkernen am <strong>MPIA</strong> aktiv verfolgt<br />
worden.<br />
• Besitzen alle Galaxienkerne besondere physikalische<br />
Eigenschaften?<br />
• Welche physikalischen Eigenschaften der umgebenden<br />
Galaxien können die Masse des zentralen Schwarzen<br />
Lochs am besten vorhersagen?<br />
• Kann man direkt zeigen, dass ein zentraler Staubring<br />
vorhanden ist, der zur Vielfalt der beobachteten<br />
Eigenschaften beiträgt?<br />
• Welche Bedingungen in den umgebenden Muttergalaxien<br />
bestimmen, ob der Kern aktiv ist oder nicht?
Haben alle Galaxienzentren spezielle<br />
Eigenschaften?<br />
Bei Galaxien, die einen konzentrierten stellaren<br />
Bulge aufweisen, ist klar, dass der Gravitationsvektor<br />
mit großer Kraft zum Zentrum weist. Wann immer die<br />
Drehimpulsbarriere überwunden wird, sammelt sich die<br />
Materie rasch im Kern der Galaxie an, und so betrachtet,<br />
mögen einzigartige physikalische Eigenschaften<br />
vielleicht keine Überraschung sein. Doch es gibt mindestens<br />
zwei Typen von Galaxien, <strong>für</strong> die ein solches<br />
qualitatives Argument möglicherweise nicht gilt: kleine<br />
Balkengalaxien, wie die Magellansche Wolke, und ultraspäte<br />
Galaxien, die anscheinend keinen nennenswerten<br />
stellaren Bulge, sondern nur eine Scheibe besitzen.<br />
Für diese Galaxientypen stellt sich erneut die Frage,<br />
ob die Zentren ungewöhnliche lokale Eigenschaften<br />
haben. Jakob Walcher und Hans-Walter Rix vom <strong>MPIA</strong><br />
sind zusammen mit Kollegen in den USA dieser Frage<br />
<strong>für</strong> »Bulge-lose«-Galaxien nachgegangen (siehe Abb.<br />
III.26). Der erste Schritt, unter der Leitung von Torsten<br />
Boeker am SΤScI, bestand darin, die Zentren solcher<br />
Galaxien mit dem HST abzubilden. Der verstärkte Kontrast,<br />
ermöglicht durch die hervorragende Auflösung<br />
des HST, zeigte, dass 70 Prozent solcher Galaxien<br />
im Zentrum einen kompakten, aber aufgelösten, sehr<br />
leuchtkräftigen Sternhaufen besitzen (Abb.III.26). In<br />
den meisten Fällen beherbergt das Zentrum tatsächlich<br />
den hellsten oder einen der hellsten Sternhaufen der gesamten<br />
Galaxie.<br />
Neun dieser Kerne waren das Ziel hochauflösender<br />
Spektroskopie mit UVES, dem Echelle-Spektrograhen<br />
am VLT. Aus diesen Spektren lassen sich sowohl die Geschwindigkeitsverteilung<br />
der Sterne als auch Informationen<br />
über das Alter oder die Altersverteilung der Sterne<br />
im Kernhaufen ermitteln. Die Analyse dieser Spektren,<br />
die Jakob Walcher im Rahmen seiner Doktorarbeit am<br />
Abb. III.26: HST-Aufnahmen mehrerer »Bulge-loser« Galaxien,<br />
auf denen ein sehr heller, aber winziger (≈ 3 pc) großer stellarer<br />
Kern oder Sternhaufen im Zentrum einer ansonsten sehr diffusen<br />
Galaxie zu erkennen ist.<br />
III.3 Die geheimnisvollen Zentren der Galaxien 73<br />
<strong>MPIA</strong> vornahm, ergab, dass diese Haufen nicht nur innerhalb<br />
der Galaxie einzigartige Eigenschaften besitzen,<br />
sondern dass auch in keiner anderen Umgebung vergleichbare<br />
Objekte zu finden sein dürften.<br />
Erstens zeigten die Spektren, dass ihr blaues Licht<br />
von einer jungen (typischerweise 0.5 Milliarden Jahre<br />
alten) Population beherrscht wird, was wesentlich jünger<br />
ist als das Alter des Universums. Entweder »wartete« die<br />
Mehrzahl dieser Galaxien mit der Bildung ihres Kerns<br />
bis zur heutigen Epoche, oder, was eher wahrscheinlich<br />
ist, die Kerne machen wiederholte Sternentstehungs-<br />
Episoden durch, wobei die letzte nun eben das Licht<br />
dominiert. Dieses letzte Bild wird von den Messungen<br />
der Geschwindigkeitsdispersion gestützt, die typischerweise<br />
25 km/s beträgt. Zusammen mit den HST-<br />
Helligkeitsprofilen erlauben sie eine Abschätzung der<br />
Haufenmassen, die sich zu 10 7 M ergeben. Diese<br />
NGC 2552 NGC 2805 NGC 4540<br />
2<br />
log (Flächendichte ) M /pc<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
log (M) M<br />
Kerne in Spiralen<br />
Kugelsternhaufen<br />
Kerne Zwergellipsen<br />
Sphäroide<br />
Junge Kugelhaufen<br />
Kugelhaufen in Virgo<br />
4 6 8 10 12<br />
Abb. III.27: Die Fundamentalebene von Galaxien-Bulges und<br />
Sphäroiden (Wolke rechts), Kugelhaufen (kleine Symbole links)<br />
und Kernhaufen in späten Galaxien, die hier erstmals untersucht<br />
wurden.
74 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
Massen liegen oft über denen, die aus einem Fit <strong>für</strong> eine<br />
Population eines einzigen Alters abgeleitet werden, was<br />
die Hypothese einer einfachen Population widerlegt.<br />
Zusammengefasst kann man sagen, dass die Kernhaufen<br />
die Größe von Kugelhaufen besitzen, aber oft zehnmal<br />
massereicher sind (siehe Abb. III.27) und ganz klar verschieden<br />
alte Populationen enthalten.<br />
Die Messungen besagen, dass diese Kerne eine eigene<br />
Klasse von Sternsystemen darstellen, die sich von<br />
normalen Bulges in der Masse und Größe, siehe Abb.<br />
III.27, und von Kugelhaufen in der Masse und der Sterne<br />
ntstehungsgeschichte unterscheiden. Mit ihren winzigen<br />
Abmessungen (≈ 3 pc) sind sie die Sternsysteme mit der<br />
bislang bekannten höchsten mittleren Dichte. Auf überraschende<br />
Weise haben auch Galaxien sehr späten Typs<br />
erkennen lassen, dass ihre Zentren einzigartige physikalische<br />
Eigenschaften besitzen. Betrachtet man Abb.<br />
III.26, so ist aus der Verteilung der umgebenden stellaren<br />
Masse nicht ersichtlich, was diese Umgebung so einzigartig<br />
macht. Ein plausibler Weg wäre die Vermutung,<br />
dass der Halo aus Dunkeler Materie mit seiner zentralen<br />
Dichte-spitze eine wichtige Rolle spielt. Offensichtlich<br />
sollte man in der Zukunft der Frage nachgehen, warum<br />
ein Drittel dieser späten Galaxien keinen Haufen in<br />
ihrem Mittelpunkt besitzen. Ist dies nur ein statistischer<br />
Zufall, oder gibt es einen grundsätzlicheren Unterschied<br />
in ihren Potentialtöpfen? Die Erstellung zweidimensionaler<br />
Karten des Geschwindigkeitsfelds zum Aufspüren<br />
der gesamten (dunklen) Materieverteilung im inneren<br />
Bereich dieser Galaxien sollte hierauf eine Antwort<br />
liefern.<br />
Welche Galaxienparameter können die Masse des<br />
zentralen Schwarzen Lochs vorhersagen?<br />
In den letzten Jahren gab es zwei miteinander in<br />
Beziehung stehende Durchbrüche bei der Bestimmung<br />
der heutigen Population supermassereicher Schwarzer<br />
Löcher in Galaxienzentren: Erstens haben detaillierte<br />
dynamische Modellrechnungen, durchgeführt <strong>für</strong> jeweils<br />
ein Objekt, gezeigt, dass, wann immer kinematische<br />
Daten mit ausreichender räumlicher Auflösung<br />
verfügbar waren, das Vorhandensein eines massereichen<br />
dunklen Objekts bewiesen werden konnte. Man<br />
kennt heute 30 bis 50 Galaxien, meistens elliptische<br />
oder solche mit massereichem Bulge, deren kinematischen<br />
Verhältnisse im Zentrum eindeutig nicht durch<br />
Modelle, die nur die beobachtete stellare Masse enthalten,<br />
wiedergegeben werden können. Allerdings kann<br />
nur <strong>für</strong> eine kleine Untergruppe dieser Galaxien direkt<br />
gezeigt werden, dass die Dichte des dunklen Objekts<br />
im Zentrum so hoch ist, dass nur ein Schwarzes Loch<br />
da<strong>für</strong> in Frage kommt. Beim Milchstraßenzentrum gibt<br />
es erstmals Beobachtungen, die möglicherweise den<br />
Ereignishorizont des Schwarzen Lochs sondieren. Doch<br />
auch in allen anderen Fällen scheint es höchst plausibel,<br />
davon auszugehen, dass die nicht identifizierte zentrale<br />
Masse ein Schwarzes Loch ist. Aufgrund dieser Beweise<br />
herrscht heute allgemeine Übereinstimmung, dass in den<br />
Zentren fast aller großen Galaxien supermassereiche<br />
Schwarze Löcher vorhanden sind.<br />
Der zweite Schritt vorwärts, beruhend auf denselben<br />
Daten, bestand in der Erkenntnis, dass einige globale<br />
Eigenschaften des Bulges (nicht der Scheibe!) gut mit<br />
der Masse des Schwarzen Lochs, M BH , korrelieren. Die<br />
am häufigsten angewendete Korrelation besteht zwischen<br />
der Geschwindigkeitsdispersion des Bulge, s, und<br />
M BH . Bemerkenswerterweise kann die mittlere quadratische<br />
Geschwindigkeit von Sternen, die typischerweise<br />
1 kpc vom Schwarzen Loch entfernt sind, dessen Masse<br />
auf ≈ 30 Prozent genau vorhersagen, obwohl dessen<br />
Größe, dargestellt durch den Schwarzschildradius, nur<br />
ein Billionstel dieses Abstands beträgt. Inzwischen brach<br />
eine hektische Suche nach theoretischen Erklärungen<br />
aus, warum die stellare Geschwindigkeitsdispersion, eine<br />
Kombination aus Sternmassen, der Größe des Bulges<br />
und der Isotropie der Sterne, besonders gut mit M BH<br />
korrelieren. Doch keines dieser Modelle ist bisher sehr<br />
überzeugend. Aufmerksam auf die geschwindigkeitsdispersion<br />
im Bulge wurde man durch frühe Arbeiten von<br />
Magorrian, die nur auf eine viel schwächere Korrelation<br />
zwischen M BH und der Bulge-Masse und der Leuchtkraft<br />
hindeuteten.<br />
Nadine Häring und Hans-Walter Rix am <strong>MPIA</strong><br />
beschlossen, die Relation zwischen M BH und der stellaren<br />
Masse des Bulges erneut zu untersuchen. Diese<br />
Untersuchung wurde durch die Erkenntnis angeregt,<br />
dass neuere, auf HST-Daten beruhende Werte <strong>für</strong> M BH<br />
M BH [M ]<br />
10 10<br />
10 9<br />
10 8<br />
10 7<br />
10 6<br />
105 108 10 9<br />
10<br />
MBulge [M ]<br />
11<br />
10 10<br />
10 12<br />
10 13<br />
Abb. III.28: Überarbeitete Relation zwischen der stellaren<br />
Bulge-Masse M Bulge und M BH (aus Häring und Rix, 2004). Mit<br />
guten Daten und Modellrechnungen ergibt sich eine sehr gute<br />
Korrelation, so gut wie die zwischen M BH und s.
in Magorrians Stichprobe fünfmal niedriger waren, als<br />
seine ursprünglichen bodengebundenen Daten und eingeschränkte<br />
Modellrechnungen ergeben hatten. Häring<br />
führte mit vorhandenen Daten neue Modellrechnungen<br />
<strong>für</strong> eine Stichprobe von Bulges mit gut bestimmten<br />
Massen der Schwarzen Löcher durch, um die<br />
Sphäroidmassen konsistent abzuschätzen. Hieraus konnte<br />
sie die M Bulge -M BH -Relation <strong>für</strong> eine Stichprobe<br />
ableiten, <strong>für</strong> die es gute Messungen beider Parameter<br />
gab. Faszinierenderweise wird bei Verwendung guter<br />
Messungen die M Bulge -M BH -Relation ebenso eng wie<br />
die s-M BH -Relation: M BH = 0.0015 M Bulge , mit einer<br />
Streuung von ≈ 35 Prozent. Dieses Ergebnis liefert eine<br />
sehr viel unmittelbarere Erklärung <strong>für</strong> die gemeinsame<br />
Entwicklung von Bulges und Schwarzen Löchern. Es<br />
ist auch Grundlage <strong>für</strong> sehr spannende Tests bei hohen<br />
Rotverschiebungen. Wenn M BH = 0.0015 M Bulge<br />
tatsächlich <strong>für</strong> alle Rotverschiebungen gilt, sollten die<br />
Muttergalaxien von Quasaren bei z ≈ 6, von denen man<br />
weiß, dass sie Schwarze Löcher von 3 10 9 M enthalten,<br />
enorm hell und damit beobachtbar sein.<br />
Der zentrale Parsec-Bereich Aktiver Galaxien<br />
Die Populationsstatistik aktiver und inaktiver Galaxien<br />
und ihrer Schwarzen Löcher wird durch ausführliche<br />
Fallstudien nahegelegener Kerne ergänzt. Solche<br />
Untersuchungen sollten klären, wie die Akkretion von<br />
Materie auf ein Schwarzes Loch in der Praxis funktioniert.<br />
Gibt es tatsächlich eine dünne Akkretionsscheibe,<br />
geschieht die Akkretion stetig oder episodisch, ist die<br />
Region der breiten Emissionslinien von einem Staubring<br />
umgeben, und deutet die Staub- und Gasstruktur auf<br />
Parsec-Skalen darauf hin, dass momentan Materie einströmt?<br />
Bei der Beantwortung dieser Fragen sind in den letzten<br />
Jahrzehnten durch die Interpretation spektraler Informa-<br />
Abb. III.29: Beugungsbegrenzte Aufnahme des Kerns von Cen A,<br />
aufgenommen mit CONICA am VLT.<br />
III.3 Die geheimnisvollen Zentren der Galaxien. 75<br />
tionen, zeitlicher Variabilität und Energieverteilungen<br />
bei zahlreichen Wellenlängen große Fortschritte gemacht<br />
worden. Die Auflösung des zentralen Parsec-Bereichs<br />
bei optischen oder Nahinfrarotwellenlängen zur direkten<br />
Überprüfung der Modellgeometrie hat sich als schwierig<br />
erwiesen. Zwei Instrumente, die in den letzten Jahren<br />
am <strong>MPIA</strong> entwickelt wurden, haben neue Möglichkeiten<br />
eröffnet, galaktische Kerne besser zu verstehen: CONICA,<br />
eine Nahinfrarotkamera, die in Verbindung mit dem adaptiven<br />
Optiksystem NAOS am VLT beugungsbegrenzte<br />
Bilder liefern kann; und MIDI, ein Mittinfrarotinterferometer,<br />
das Licht von verschiedenen Teleskopen des VLT<br />
überlagern kann, wobei die Basislinien über 100 m lang<br />
sind. CONICA kann, verglichen mit den besten bodengebundenen<br />
Aufnahmen, achtmal bessere Bilder liefern<br />
und dreimal bessere als das HST. MIDI bietet eine enorme<br />
Verbesserung der Auflösung (1–2 Größenordnungen),<br />
allerdings zu dem Preis, dass es bisher nur interferometrische<br />
Informationen liefert und keine »soliden«<br />
Abbildungen.<br />
Wissenschaftler am <strong>MPIA</strong> haben eine Kollaboration<br />
ins Leben gerufen, in der nahe aktive Kerne, wie die<br />
Circinus-Galaxie und Centaurus A, mit CONICA untersucht<br />
werden. Abb. III.29 zeigt den Kern von Cen A<br />
im H-Band (und K-Band). Die Beugungsgrenze wurde<br />
erreicht, indem die atmosphärischen Verzerrungen mit<br />
Hilfe des vom Kern selbst ausgestrahlten Lichts korrigiert<br />
wurden. Da der Kern bei allen Wellenlängen 1 µm<br />
völlig verdeckt ist, kann auch das HUBBLE-Teleskop bei<br />
kürzeren Wellenlängen keine Bilder mit vergleichbarer<br />
Winkelauflösung liefern. Der Kern ist unaufgelöst und<br />
zeigt keinerlei spektrale Gebilde, was bezeugt, dass seine<br />
Strahlung von einer Akkretionsscheibe stammt. Es gibt<br />
auch keinen Hinweis <strong>für</strong> einen zweiten Kern. Da Cen A<br />
in jüngerer Zeit eine Verschmelzung erlebt hat, hätte man<br />
einen solchen zweiten Kern erwarten können, da viele<br />
Modelle vorhersagen, dass die beiden jeweiligen zentralen<br />
Schwarzen Löcher der Vorgängergalaxien bei sehr<br />
kleinen Abständen zueinander (0.3) »hängen bleiben«.<br />
Die Ergebnisse besagen, dass das Verschmelzen von<br />
zentralen Schwarzen Löchern nach der Verschmelzung<br />
zweier Galaxien sehr rasch vonstatten geht.<br />
Selbst in seiner Anfangskonfiguration hat das MIDI-<br />
Interferometer spektakuläre Ergebnisse über den nahen<br />
aktiven Kern von NGC 1068 geliefert. Bei Wellenlängen<br />
von 5 – 10 µm stammt die Strahlung in einem AGN<br />
vermutlich von heißem Staub, der die Akkretionscheibe<br />
umgibt und von ihr aufgeheizt wird. Mit MIDI war<br />
es zum ersten Mal möglich, diesen Staubring aufzulösen,<br />
seine Größe direkt zu messen und zu zeigen,<br />
dass unterschiedliche Emissionsgebiete unterschiedliche<br />
Geometrien haben. Insbesondere gelang zum ersten Mal<br />
der Nachweis, dass sich der heißeste Teil des Staubrings<br />
auf seiner Innenseite befindet. Das Gesamtergebnis<br />
ist in Abb. II.22, S. 37 zu sehen. In der Praxis kann<br />
MIDI nur Interferenzstreifenkontraste entlang einer bestimmten<br />
Richtung am Himmel messen. Je kleiner die
76 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
strahlende Region bei einer gegebenen Wellenlänge,<br />
desto stärker der Streifenkontrast. Mit Hilfe eines dispersiven<br />
Elements misst MIDI den Streifenkontrast<br />
als Funktion der Wellenlänge. Unter Ausnutzung der<br />
Rotation eines Objekts am Himmel, können unterschiedliche<br />
Basislinien, das heißt Schnitte durch das<br />
Objekt, untersucht werden. Sobald die Nachführung<br />
bei MIDI verbessert ist, wird seine Empfindlichkeit dramatisch<br />
ansteigen und sehr viel mehr Objekte solchen<br />
Untersuchungen zugänglich machen.<br />
Wann lagern Schwarze Löcher aktiv Materie an?<br />
Die Tatsachen, dass zu allen Epochen helle AGN<br />
sehr viel seltener sind als helle Galaxien und dass alle<br />
massereichen Galaxien in ihrem Zentrum ein Schwarzes<br />
Loch vorhersagbarer Masse besitzen, bedeuten zusammengenommen,<br />
dass alle Galaxien irgendwann einmal<br />
ein AGN sind und dass diese AGN-Phasen nur einen<br />
Bruchteil ihrer Gesamtlebensdauer ausmachen. Das führt<br />
naturgemäß zu einer entscheidenden Frage im Hinblick<br />
auf unser Verständnis des AGN-Phänomens und des<br />
Wachstums von Schwarzen Löchern: Was löst eine<br />
leuchtstarke, schnelle Akkretion auf das Schwarze Loch<br />
aus? Seit langem ist bekannt, dass Verschmelzungen<br />
oder starke Gezeitenwechselwirkungen mit einer verstärkten<br />
Kernaktivität verknüpft sind. Doch weder<br />
scheinen alle Verschmelzungen AGN-Aktivität hervorzurufen,<br />
noch zeigen alle AGN irgendwelche Anzeichen<br />
<strong>für</strong> Gezeitenwechselwirkung. So sorgen zum Beispiel<br />
stellare Balken <strong>für</strong> einen internen Mechanismus, der Gas<br />
ins Zentrum leiten könnte. Keiner dieser Mechanismen<br />
führt automatisch zu der oben beschriebenen M Bulge -<br />
M BH -Relation. Lokale Untersuchungen, in denen sowohl<br />
die AGN als auch ihre umgebenden Galaxien<br />
problemlos beobachtet werden können, liefern nur<br />
eingeschränkt Informationen, da wir wissen, dass das<br />
Original<br />
Host-Modell Residuen<br />
Hauptwachstum der Schwarzen Löcher in früheren<br />
Epochen stattfand und dass es während der sehr hellen<br />
QSO-Phase von AGN stattfindet. Aber in der gegenwärtigen<br />
Epoche sind QSO beinahe ausgestorben. Bei<br />
den heutigen relativ hellen AGN geht, wie man kürzlich<br />
festgestellt hat, statistisch gesehen eine verstärkte<br />
Kernaktivität mit verstärkter Sternentstehung in der<br />
gesamten Galaxie einher.<br />
Das GEMS-Team, dem Wissenschaftler aus Potsdam,<br />
Heidelberg und den USA angehören, hat die COMBO-17-<br />
Durchmusterung, welche die tiefste optisch ausgewählte<br />
AGN-Stichprobe liefert, mit dem Abbildungsvermögen<br />
des HST verknüpft, um die Eigenschaften von Muttergalaxien<br />
zu untersuchen. Die mit COMBO-17 ausgewählten<br />
AGN, von denen viele echte helle Quasare sind,<br />
haben Rotverschiebungen von 0.3 bis jenseits von 3. In<br />
einem ersten Schritt untersuchte GEMS die Mutterga-<br />
laxien heller AGN im Rotverschiebungsbereich bis zu<br />
z ≈ 1.2, da man in diesem Rotverschiebungsbereich aus<br />
denselben Daten ein umfassendes Bild der gesamten Galaxienpopulation<br />
erhält.<br />
GEMS ermöglichte zum ersten Mal den vollständigen<br />
Nachweis aller Muttergalaxien <strong>für</strong> eine Stichprobe von<br />
AGNs bis z = 1.2 (siehe Abb. III.31). Dabei konnten<br />
nicht nur Leuchtkräfte ermittelt werden, sondern auch<br />
Ruhewellenlängen-Farben (die den Anteil junger Sterne<br />
in der Sternpopulation anzeigen) sowie die radialen<br />
Abb. III.30: Beispiel <strong>für</strong> den Nachweis einer AGN-Muttergalaxie<br />
in GEMS. Die vier kleinen Bilder zeigen unterschiedliche<br />
Stadien der Bildanalyse, wobei die Daten mit einem Kern+<br />
Muttergalaxie-Modell gefittet werden: oben links ist das<br />
Originalbild zu sehen, oben rechts das Bild nach Abzug der<br />
am besten angepassten, den AGN darstellenden Punktquelle;<br />
unten links ist die Punktquelle gleichzeitig mit dem Modell<br />
der Muttergalaxie gefittet; unten rechts zeigt die Residuen des<br />
Kern+Muttergalaxie-Fits.<br />
Kern subtrahiert (Fitting) COMBO 47615 VAUC–Modell<br />
18<br />
F606W–Band<br />
21<br />
24<br />
27<br />
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8<br />
18<br />
F850LP–Band<br />
21<br />
24<br />
27<br />
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8
U –V [mag]<br />
2<br />
1<br />
0<br />
–1<br />
–22 –20 –18<br />
M V [mag]<br />
Helligkeitsprofile abgeleitet werden. Der Kurvenverlauf<br />
des radialen Helligkeitsprofils ist ein gutes quantitatives<br />
Unterscheidungsmerkmal zwischen Galaxien vom frühen<br />
Typ, sphäroidalen Galaxien und Galaxienscheiben<br />
späten Typs.<br />
Abb. III.31 stellt einen Zusammenhang her zwischen<br />
den Eigenschaften von Muttergalaxien mit<br />
aktiven Kernen und solchen mit inaktiven. Erstens<br />
sind die meisten AGN-Muttergalaxien Sphäroide:<br />
Helle AGN treten in Galaxien auf, die bereits massereiche<br />
Schwarze Löcher besitzen. Nur ein Viertel<br />
aller Muttergalaxien zeigt deutliche Anzeichen von<br />
Verschmelzungen oder Wechselwirkungen, woraus<br />
folgt, dass solche Wechsel-wirkungen zwar förderlich,<br />
aber nicht notwendig <strong>für</strong> die Erzeugung eines<br />
hellen AGN sind. In der allgemeinen, inaktiven<br />
Galaxienpopulation sind die meisten sphäroidalen<br />
Galaxien in den jüngeren Epochen rot, das heißt, sie<br />
enthalten, wenn überhaupt, nur wenige neugebildete<br />
Sterne. Die AGN-Muttergalaxien unterscheiden<br />
sich hauptsächlich dadurch von der allgemeinen<br />
Population, dass sie sehr viel mehr junge Sterne enthalten.<br />
Dieses Ergebnis ist ein direkter Hinweis, dass<br />
in Sphäroiden Sternentstehung, die zu blauen Farben<br />
führt, und das Wachstum Schwarzer Löcher durch<br />
leuchtende Materieakkretion gemeinsam ablaufen.<br />
III.3 Die geheimnisvollen Zentren der Galaxien. 77<br />
Abb. III.31: GEMS-AGN-Muttergalaxien (z < 1.2), verglichen mit<br />
der »allgemeinen« Galaxienpopulation in derselben Epoche.<br />
Gezeigt ist die Verteilung der Galaxien im (Ruhewellenlängen)<br />
Farbe-Leuchtkraft-Diagramm, wobei rote Punkte Galaxien mit<br />
Helligkeitsprofilen des frühen Typs darstellen und grüne Punkte<br />
Galaxien, deren radialen Profile exponentiellen Scheiben gleichen.<br />
Fast alle AGN-Muttergalaxien zeigen die Morphologie<br />
kompakter Sphäroide (Vollkreise), nur drei sind Scheiben<br />
(Sternchen). Vier von ihnen wechselwirken ganz klar miteinander<br />
(roter Kasten) und bestätigen, dass Verschmelzungen die<br />
Kernaktivität zwar fördern, aber nicht unbedingt notwendig<br />
sind. Man beachte den hohen Anteil an blauen Sphäroiden unter<br />
den AGN-Muttergalaxien, verglichen mit den ruhigen Phasen.<br />
Was kommt als Nächstes?<br />
Diese Beispiele zeigen, dass sowohl detaillierte Untersuchungen<br />
einzelner Objekte als auch ein besseres<br />
Verständnis der Eigenschaften von Populationen zusammen<br />
allmählich ein kohärentes Bild ergeben. Es ist<br />
offensichtlich, welche weiteren Schritte nötig sind. Mit<br />
NAOS / CONICA und MIDI haben wir jetzt leistungsfähige<br />
Werkzeuge zur Untersuchung lokaler AGN an der Hand.<br />
Bevorstehende instrumentelle Entwicklungen wie zum<br />
Beispiel der Laser-Leitstern PARSEC zur Unterstützung von<br />
CONICA werden den Bereich der beobachtbaren Objekte<br />
erheblich erweitern. Gleichermaßen hat die Infrarot-<br />
Interferometrie erst die Oberfläche der Möglichkeiten<br />
angekratzt. Mit GEMS und anderen Untersuchungen sind<br />
wir jetzt dabei, AGN-Muttergalaxien in Zusammenhang<br />
mit der allgemeinen Galaxienpopulation bei hohen<br />
Rotverschiebungen (1.5 < z < 5) zu stellen und so die<br />
Epoche zu erforschen, in der das bei weitem stärkste<br />
Wachstum von Schwarzen Löchern stattfand. Mit Hilfe<br />
von QSO bei z > 6, die, wie wir heute wissen, Schwarze<br />
Löcher von über 10 9 Sonnenmassen besitzen, werden<br />
wir in den nächsten Jahren auch erkunden können,<br />
ob Schwarze Löcher oder ihre Muttergalaxien in den<br />
Frühphasen des Universums schneller gewachsen sind.<br />
(J. Walcher, N. Häring, A. Prieto, K. Meisenheimer<br />
und das GEMS-Team)
78 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
III.4 Der Sloan Digital Sky Survey<br />
Neben den rapide steigenden Winkelauflösungen der<br />
neu entwickelten Messinstrumente ist es die Fähigkeit,<br />
immer tiefere und ausgedehntere Durchmusterungen<br />
des Nachthimmels durchzuführen, die gegenwärtig den<br />
schnellen Fortschritt der extragalaktischen Forschung<br />
und der beobachtenden Kosmologie antreibt. Der Sloan<br />
Digital Sky Survey (SDSS) ist die größte zur Zeit durchgeführte<br />
astronomische Himmelsdurchmusterung.<br />
Das <strong>MPIA</strong> ist am Sloan Digital Sky Survey (SDSS)<br />
beteiligt. Bei dieser Himmelsdurchmusterung wird mit<br />
Hilfe eines eigens da<strong>für</strong> gebauten Teleskops und einer<br />
Spezialkamera etwa ein Viertel des gesamten Himmels in<br />
bisher unerreichter Tiefe abgebildet, wobei Aufnahmen<br />
von mehr als 100 Millionen Galaxien gemacht werden.<br />
Das SDSS-Teleskop (Abb. III.32) hat auch einen speziell<br />
konstruierten Glasfaser-Spektrographen, der letztendlich<br />
Spektren von fast einer Million astronomischen Objekten<br />
– die meisten davon ferne Galaxien oder Quasare<br />
– liefern wird. Im Jahr <strong>2003</strong> erreichte das SDSS-Projekt<br />
einen wichtigen Meilenstein: Die Datenfreigabe 2<br />
Abb. III.32: Das 2.5-m-Teleskop des Sloan Digital Sky Survey<br />
in den Sacramento Mountains im südlichen New Mexico.<br />
Die kastenförmige Konstruktion schützt das Teleskop vor<br />
Erschütterungen durch Wind.<br />
(Data Release 2), die etwa ein Drittel der endgültigen<br />
Durchmusterungsfläche abdeckt (Abb. III.33) und jetzt<br />
<strong>für</strong> die Allgemeinheit freigegeben wurde. Außerdem<br />
nutzten im genannten Jahr Astronomen am <strong>MPIA</strong> in<br />
Zusammenarbeit mit Mitgliedern des SDSS-Teams aus<br />
der ganzen Welt den SDSS, um die Eigenschaften von<br />
Galaxien zu erforschen – von der Milchstraße und der<br />
Andromeda-Galaxie bis hinaus zu den entferntesten<br />
Quasaren. Wir werden hier nicht auf die jüngsten hochinteressanten<br />
Ergebnisse eingehen, die Wissenschaftler<br />
am <strong>MPIA</strong> mit der Entdeckung einer beachtlichen Anzahl<br />
von chemisch unentwickelten Galaxien im lokalen Universum<br />
sowie bei der Erforschung der Eigenschaften<br />
der am weitesten entfernten Quasare gemacht haben.<br />
Im vorliegenden Bericht konzentrieren wir uns auf die<br />
Entdeckung und Untersuchung lichtschwacher, geisterhafter<br />
Sternströme, die von der Milchstraße und der<br />
Andromeda-Galaxie aus Zwerggalaxien herausgerissen<br />
wurden, sowie auf die Bestandsaufnahme an heutiger<br />
stellarer und baryonischer Masse im Universum.<br />
Kannibalismus in der Milchstraße und in der<br />
Andromeda-Galaxie<br />
Da der SDSS so große Himmelsflächen abbildet, hat<br />
er sich als ein bemerkenswert effektives Werkzeug bei<br />
der Suche nach diffusen Sternströmen erwiesen, die<br />
durch die mächtigen galaktischen Gezeiten der Milchstraße<br />
und der Andromeda-Galaxie aus Galaxien und<br />
Sternhaufen herausgerissen werden. Diese geisterhaften<br />
Ströme, die zu den diffusesten und lichtschwächsten<br />
Strukturen zählen, die je entdeckt wurden, eignen sich<br />
hervorragend zur Sondierung der Verteilung von dunkler<br />
und leuchtender Materie in Galaxien. Ein einzelner gut<br />
untersuchter Strom kann wichtige Erkenntnisse über<br />
Verteilung und Menge von dunkler Materie in einer<br />
Galaxie liefern. Aus mehreren verschiedenen Strömen<br />
(oder in geringerem Maße auch aus mehrfachen Umläufen<br />
eines Einzelstroms) kann auf die Gestalt des Halos<br />
aus Dunkelmaterie einer Galaxie geschlossen werden<br />
– die meisten Theorien über dunkle Materie sagen nichtsphärische<br />
Dunkelmaterie-Halos vorher, und die genaue<br />
Untersuchung multipler Gezeitenströme ist eine der wenigen<br />
Methoden, mit denen diese wichtige Vorhersage<br />
überprüft werden kann. Über den noch andauernden<br />
Zerfall des galaktischen Kugelhaufens Palomar 5 ist<br />
vor kurzem berichtet worden (siehe <strong>Jahresbericht</strong> 2002,<br />
S. 22); hier konzentrieren wir uns auf die jüngste Entdeckung<br />
und Untersuchung der Trümmer zerstörter<br />
Zwerggalaxien in der Umgebung der Milchstraße und<br />
der Andromeda-Galaxie.
360°<br />
360°<br />
300°<br />
300°<br />
240°<br />
240°<br />
60°<br />
180° 120° 60°<br />
180° 120° 60°<br />
Ein riesiger Sternring um die Milchstraße<br />
Mit Hilfe von SDSS-Daten fanden Astronomen mehrerer<br />
SDSS-Mitgliedsinstitutionen, darunter auch das<br />
<strong>MPIA</strong>, Hinweise auf einen riesigen Ring aus Sternen,<br />
der die Milchstraße nahe der galaktischen Ebene umgibt.<br />
Der Ring wurde ursprünglich als eine Überdichte<br />
an Sternen im Sternbild Monoceros entdeckt. Nachfolgende<br />
spektroskopische SDSS-Beobachtungen bestätigten,<br />
dass es sich um einen vom zuvor entdeckten<br />
Sagittarius-Strom (siehe unten) verschiedenen Sternstrom<br />
handelt. Abbildung III.34 zeigt ein Histogramm<br />
der Radialgeschwindigkeiten <strong>für</strong> mehr als 200 Sterne<br />
entlang einer einzelnen Sichtlinie, die den Monoceros-<br />
Strom schneidet. Die Sterne haben eine mittlere heliozentrische<br />
Radialgeschwindigkeit von 54 km/s mit<br />
einer bemerkenswert geringen eindimensionalen Geschwindigkeitsdispersion<br />
von 18 km/s, wobei schon<br />
ein typischer instrumenteller Fehler von 20 km/s nach<br />
den Gesetzen der Fehlerfortpflanzung abgezogen ist.<br />
Ebenfalls eingezeichnet sind die nach verschiedenen<br />
Modellen zu erwartenden Beiträge und projizierten Radialgeschwindigkeiten<br />
von Sternen aus der dünnen (rot)<br />
und dicken (grün) Scheibe der Milchstraße – beide sind<br />
<strong>für</strong> Objekte dieser Farbe in diesem Abstand vom galaktischen<br />
Zentrum vernachlässigbar –, sowie <strong>für</strong> den stellaren<br />
sphäroidalen Halo (blau). Der Dichteüberschuss und<br />
die geringe Dispersion sind <strong>für</strong> diese Sterne, die rund<br />
20 kpc vom galaktischen Zentrum entfernt sind, sehr<br />
30°<br />
–30°<br />
–60°<br />
60°<br />
30°<br />
–30°<br />
–60°<br />
Abb. III.33: Die Himmelsabdeckung des SDSS Data Release 2,<br />
dargestellt in äquatorialen Koordinaten. Das obere Bild zeigt<br />
den Umfang der freigegebenen Bilddaten (rot), das untere den<br />
der spektroskopisches Daten (grün).<br />
N<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
Nicht–rotierendes Halo<br />
υ – = 73, s = 120<br />
Rotierende dicke Scheibe<br />
(y rot = 170) υ – = 54, s = 55<br />
Rotierende Scheibe (y rot = 220)<br />
υ – = 48, s = 34<br />
Strom<br />
υ – = 54, s = 27<br />
c 2 = 1.08<br />
III.4 Der Sloan Digital Sky Survey 79<br />
Sterne in Richtung auf (l,b)<br />
=198°, –27°<br />
13 kpc von der Sonne<br />
Sp198–27–19.8<br />
0<br />
–200 –100 0 100 200<br />
R V [km/s]<br />
300<br />
Abb. III.34: Histogramm der Radialgeschwindigkeiten <strong>für</strong><br />
mehr als 200 Sterne entlang einer einzelnen Sichtlinie, die den<br />
Monoceros-Strom schneidet. Ebenfalls eingezeichnet: erwartete<br />
Beiträge aus der dünnen Scheibe (rot), der dicken Scheibe<br />
(grün) und aus dem sphäroidalen Halo (blau) der Milchstraße.<br />
Schwarze gepunktete Linie: Summe der Komponenten der dünnen<br />
und dicken Scheibe und des Halos; dünne durchgezogene<br />
Linie: Die an die Verteilung der »zusätzlichen« Sterne angepasste<br />
Gaußsche Glockenkurve.<br />
auffällig. Der Strom der »zusätzlichen«‚ Sterne hat eine<br />
andere Geschwindigkeit als die dünne Scheibe, die dicke<br />
Scheibe und der stellare Halo der Milchstraße und eine<br />
vergleichsweise geringe Geschwindigkeitsdispersion,<br />
was darauf hindeutet, dass es sich um einen Sternstrom<br />
und nicht um einen Bereich erhöhter Dichte einer bekannten<br />
galaktischen Struktur handelt.<br />
Leider gibt es zu diesem Zeitpunkt noch nicht genügend<br />
Daten, um die Umlaufbahn eindeutig anzugeben.<br />
Die Farben und Spektren der Sterne im Strom deuten<br />
auf Metallhäufigkeiten von [Fe/H] = –1.6 ± 0.3 hin, das<br />
heißt Elementhäufigkeiten, die etwa 1 / 40 derjenigen der<br />
Sonne betragen. Durch Anpassen von Modellen an die<br />
Positionen und Geschwindigkeiten der Stromsterne kam<br />
das Forscherteam zu dem vorläufigen Schluss, dass der<br />
Strom wahrscheinlich einen Ring um die Milchstraße<br />
bildet und fast in der Ebene der galaktischen Scheibe<br />
liegt. Der Ring ist etwa 18 – 20 kpc (60 000 – 65 000<br />
Lichtjahre) vom galaktischen Zentrum entfernt und<br />
könnte zwischen 2 10 7 und 5 10 8 Sonnenmassen<br />
an Sternen enthalten; und falls dort auch dunkle Materie<br />
vorhanden ist, könnte die Gesamtmasse des Rings (und<br />
damit die Masse des ursprünglichen Objektes) noch um<br />
das Zehnfache höher sein. Die Bandbreite der chemischen<br />
Zusammensetzung und der Sternmasse deutet<br />
darauf hin, dass der Vorgänger des Rings vermutlich eine<br />
Zwerg-Begleitgalaxie der Milchstraße war, die durch die<br />
Gezeitenkräfte ihrer großen Nachbarin zerrissen wurde<br />
– so wie heute die Sagittarius-Zwerggalaxie. Da dieser<br />
Strom und der Sagittarius-Strom sehr unterschiedliche
80 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
Bereiche des Dunkelmateriehalos der Galaxis passieren,<br />
werden weitere spektroskopische und abbildende<br />
Untersuchungen der Sterne in diesem Ring dazu beitragen,<br />
nicht nur die Ausdehnung, sondern auch die<br />
Gestalt des Dunkelmaterie-Halos der Milchstraße näher<br />
einzugrenzen.<br />
Abb. III.35: Zweidimensionale X,Z-Projektion des Sagittarius-<br />
(Sgr)-Strom-Modells bezogen auf das galaktische Zentrum. Die<br />
Sonne liegt bei (X,Y,Z) = (-8.5,0.0,0.0) kpc; das Zentrum von<br />
Sgr bei (X,Y,Z) Sgr = (16, 2, -5.9) kpc. Die schwarzen Teilchen<br />
sind noch immer an die Sgr-Galaxie gebunden, die gelben<br />
Teilchen haben sich im Verlauf der letzten Milliarde Jahre gelöst,<br />
die grünen vor 1.0 bis 2.0 Milliarden Jahren, die blauen vor 2.0<br />
bis 3.0 Milliarden Jahren, die violetten vor 3.0 bis 5.0 Milliarden<br />
Jahren und die roten vor mehr als 5.0 Milliarden Jahren.<br />
Z [kpc ]<br />
80<br />
40<br />
0<br />
– 40<br />
Die Ausdehnung des Sagittarius-Stroms: Die Form<br />
des Dunkelmaterie-Halos der Milchstraße wird erkundet<br />
Die vor zehn Jahren entdeckte Sagittarius-Zwerggalaxie<br />
wird gegenwärtig von den Gezeitenkräften der<br />
Milchstraße auseinander gerissen. Stellare Überdichten,<br />
die in SDSS- und anderen Durchmusterungsdaten entdeckt<br />
wurden, sind als Teile eines Sternstroms identifiziert<br />
worden, der aus der Sagittarius-Galaxie herausgerissen<br />
wurde und nun deren Umlaufbahn um unsere<br />
Galaxis in etwa nachzeichnet.<br />
Im vergangenen Jahr haben Astronomen am <strong>MPIA</strong><br />
und an anderen SDSS-Mitgliedsinstitutionen unser Wissen<br />
über den Sagittarius-Strom deutlich vermehrt. An<br />
einer Front wurde mit Hilfe von SDSS-Daten in den<br />
Außenbereichen des stellaren Halos der Milchstraße<br />
eine neue Dichtekonzentration von Sternen entdeckt,<br />
welche die Farben von A-Sternen haben. Eine Reihe<br />
von RR-Lyrae-Kandidaten sind mit diesem Gebilde<br />
assoziiert, was die These stützt, dass es sich bei dieser<br />
Sternkonzentration um leuchtkräftige blaue Sterne<br />
t = 5 Ga 3 2 1<br />
–80<br />
–80 – 40 0<br />
X [kpc ]<br />
40 80<br />
0
Abb. III.36: Die Position von Andromeda NE (Pfeil), die komplizierten<br />
Sternstrukturen im Halo von M 31 (kleines maßstabsgerechtes<br />
Bild) und der Mond zum Größenvergleich. (SDSS;<br />
kleines Bild von M 31: B. Schöning; V. Harvey/REU/NOAO/<br />
AURA/NSF; Vollmond: Lick Obs.)<br />
des Horizontalen Astes handelt, die rund 90 kpc (fast<br />
300 000 Lichtjahre) vom Zentrum der Milchstraße entfernt<br />
sind. Diese neuen Gezeitentrümmer liegen in einem<br />
Umkreis von 10 kpc um dieselbe Ebene wie andere<br />
bereits bestätigte Gezeitentrümmer, die vom Zerfall der<br />
Sagittarius-Zwerggalaxie herrühren, und konnten einem<br />
nachschleppenden Gezeitenarm zugeordnet werden.<br />
Zudem liegt der Kugelhaufen NGC 2419 innerhalb der<br />
neuentdeckten Gezeitentrümmer und hat möglicherweise<br />
einst ebenfalls zur Sagittarius-Zwerggalaxie gehört.<br />
Auch bei anderen abbildenden Durchmusterungen wurden<br />
entlang von weiteren Sichtlinien Gezeitentrümmer<br />
entdeckt, die mit dem nachschleppenden Gezeitenarm<br />
des Sagittarius-Zwerges assoziiert sind. Sie liegen rund<br />
50 – 60 kpc vom Zentrum unserer Galaxis entfernt.<br />
Diese Beobachtungen stärken die Indizien, dass es sich<br />
bei dem vom SDSS entdeckten Sternstrom um Material<br />
handelt, das der Sagittarius-Galaxie durch Gezeitenkräfte<br />
entrissen wurde, und sie stützen die Vermutung, dass der<br />
Gezeitenstrom die Milchstraße auf einer fast polaren<br />
Umlaufbahn vollständig umschließt.<br />
In diesem Zusammenhang haben Wissenschaftler am<br />
<strong>MPIA</strong> gemeinsam mit spanischen Astronomen in einem<br />
weiteren Forschungsprojekt numerische Simulationen<br />
der bisherigen Umlaufbahn der Sagittarius-Zwerggalaxie<br />
um die Milchstraße durchgeführt. Abb. III.35 zeigt eine<br />
zweidimensionale X,Z-Projektion des Sagittarius-<br />
Strom-Modells bezogen auf das galaktische Zentrum.<br />
Dieses Modell reproduziert die heutige Position und<br />
Geschwindigkeit des Sagittarius-Hauptkörpers und zeigt<br />
einen langen Gezeitenarm, der durch Wechselwirkung<br />
mit dem Gravitationspotential der Milchstraße erzeugt<br />
wurde. Das Modell steht völlig in Einklang mit den oben<br />
beschriebenen neuen Beobachtungen und bestätigt die<br />
Vermutung, dass es sich dabei um Teile eines nachschleppenden<br />
Gezeitenarms handelt. Und es stimmt mit den<br />
Einschränkungen überein, die sich aus mehr als einem<br />
Jahrzehnt intensiver Beobachtungen ergeben haben. Da<br />
III.4 Der Sloan Digital Sky Survey 81<br />
nun Trümmer von mehr als einem Umlauf der Sagittarius-<br />
Zwerggalaxie beobachtet werden, lässt sich die Gestalt<br />
des Dunkelmateriehalos der Galaxis erkunden, wenn<br />
auch längst nicht so genau als wie mit zwei unabhängigen<br />
Strömen. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass<br />
der Milchstraßen-Halo nicht ganz rund ist, wobei die<br />
Materieverteilung eine Abflachung von grob 0.7 zeigt<br />
(die kurze Achse ist nur 0.7 mal so groß wie die lange<br />
Achse). Auch dies stimmt hervorragend mit Simulationen<br />
der Entstehung des Dunkelmaterie-Halos überein.<br />
Eine neue stellare Struktur im Halo der Andromeda-<br />
Galaxie<br />
Im Oktober 2002 wurde das SDSS-Teleskop <strong>für</strong><br />
einen spezielle Abtastung der Andromeda-Galaxie (M<br />
31) genutzt. Dieser „Scan“, der sich über etwa 18 Grad<br />
entlang der Hauptachse von M 31 erstreckte, hat nicht<br />
nur eine Fülle von Einzelheiten über die Struktur und die<br />
Sternpopulationen im Halo von M 31 geliefert, sondern<br />
auch eine neue, bislang unbekannte Sternkonzentration ≈<br />
3 Grad nordöstlich von M 31 sichtbar werden lassen, die<br />
von den Astronomen am <strong>MPIA</strong> Andromeda NE getauft<br />
wurde. Ihre Position wird in der in Abb. III.36 gezeigten<br />
Bildmontage durch den Pfeil markiert; die komplizierten<br />
Sternstrukturen im Halo der Andromeda-Galaxie und ein<br />
maßstabsgerechtes Photo des Monds zum Größenvergleich<br />
sind ebenfalls abgebildet. Die Farben im Bild<br />
spiegeln die Relativfarben der Sterne wider, bei denen es<br />
sich hauptsächlich um Rote Riesen in der Entfernung der<br />
Andromeda-Galaxie handelt. Bläuliche und weißliche<br />
Farben weisen generell auf eine geringere Häufigkeit an<br />
schwereren Elementen (»Metallen« im astronomischen<br />
Sprachgebrauch) hin, während gelbe und rote Sterne auf<br />
zunehmende Metallhäufigkeiten hindeuten.<br />
Diese neue stellare Struktur, nachgewiesen als Überschuss<br />
an hellen Roten Riesen in annähernd der gleichen<br />
Entfernung wie M 31, ist unglaublich diffus, mit einer<br />
zentralen Oberflächenhelligkeit im g-Band von ≈ 29 mag/<br />
arcsec 2 . Andromeda NE ist mit einer Ausdehnung von fast<br />
einem Quadratgrad jedoch so groß, dass ihre integrierte<br />
Leuchtkraft (≈ –11.6 mag) mit der einiger Zwerggalaxien<br />
in der Lokalen Gruppe vergleichbar ist. Die Farbe des
82 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
Rote-Riesen-Astes in Andromeda NE stimmt nicht mit<br />
der einiger bekannter Halostrukturen überein, wie dem<br />
»Nördlichen Sporn« oder dem »Riesenstrom« Richtung<br />
Südwesten. Doch sie ähnelt der des so genannten G1-<br />
Klumpen, auf der gegenüberliegenden Seite der Scheibe<br />
von M 31 (Abb. III.37).<br />
Die Natur von Andromeda NE bleibt somit ungeklärt;<br />
es könnte sich um eine Begleitgalaxie handeln,<br />
die gerade durch Gezeitenkräfte zerrissen wird, oder<br />
gar um stellare Trümmer aus dem äußeren Bereich der<br />
Scheibe von M 31, die in der Vergangenheit bei einer<br />
bislang unbekannten Katastrophe verstreut wurden.<br />
Morphologische und strukturelle Überlegungen deuten<br />
jedoch eher darauf hin, dass es sich um einen Strom von<br />
Sternen aus einer bereits zerstörten Zwerggalaxie handelt;<br />
Nachfolgeuntersuchungen, die zur Unterscheidung<br />
zwischen diesen Szenarien beitragen sollen, werden gerade<br />
geplant. Sollte sich diese Struktur als Gezeitenstrom<br />
herausstellen, werden genauere Untersuchungen der<br />
Geschwindigkeiten und Entfernungen von Sternen in diesem<br />
und in einem anderen bereits entdeckten Sternstrom<br />
rings um Andromeda eine verlässliche Abschätzung<br />
der Gestalt des Dunkelmaterie-Halos der Andromeda-<br />
Galaxie ermöglichen.<br />
Abb. III.37: Farben des Rote-Riesen-Astes der Sternstrukturen<br />
im Halo von M 31, abgeleitet aus SDSS Daten: Links: Hess-<br />
Diagramm (stellares Farben-Helligkeits-Dichtediagramm)<br />
von Andromeda NE abzüglich eines Hess-Diagramms eines<br />
entsprechend skalierten Kontrollfelds, dividiert durch die<br />
Quadratwurzel der Summe der beiden Hess-Diagramme. Man<br />
beachte den relativ schmalen Rote-Riesen-Ast (RGB) bei einem<br />
mittleren Metallgehalt. Mitte links: Das Gleiche wie links,<br />
jedoch <strong>für</strong> ein Feld im Riesenstrom (vgl. Ibata et al. 2001). Man<br />
beachte die Ausdehnung des RGB zum Roten hin, was auf eine<br />
metallreiche Komponente hinweist. Mitte rechts: Das Gleiche<br />
wie links, jedoch <strong>für</strong> ein Feld im Nördlichen Sporn; man erkennt<br />
I [mag]<br />
20.5<br />
21.5<br />
22.5<br />
And NE<br />
0 1 2 3<br />
V – I [mag]<br />
Strom<br />
0 1 2 3<br />
V – I [mag]<br />
Die Verteilung der stellaren Masse und der kühlen<br />
Baryonen im lokalen Universum<br />
Dank seiner genauen und vollständigen photometrischen<br />
und spektroskopischen Erfassung einer großen<br />
Anzahl von Galaxien ist der SDSS ein ideales Werkzeug<br />
zur Erkundung der gegenwärtigen Materieverteilung in<br />
Galaxien. Wissenschaftler des <strong>MPIA</strong> und der University<br />
of Massachussetts haben SDSS-Daten mit Daten<br />
aus dem Two Micron All-Sky Survey (2MASS, eine<br />
Himmelsdurchmusterung im nahen Infrarot) kombiniert,<br />
um die Verteilung der in Sternen enthaltenen Masse und<br />
des kalten Gases in Galaxien des lokalen Universums<br />
sowie die »Effizienz« der Galaxienbildung abzuschätzen.<br />
Zu wissen, wo sich die Baryonen befinden, ist ein<br />
wichtiges Problem der Astrophysik. Der Anteil der Masse<br />
im Universum, der in Form von Baryonen vorliegt<br />
(den Bausteinen »normaler« Materie wie Elektronen,<br />
Protonen und Neutronen), ist relativ gut bekannt; die<br />
Häufigkeiten der leichten Elemente und die Verteilung<br />
der Fluktuationen in der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung<br />
deuten darauf hin, dass rund 15 Prozent<br />
der gesamten Materiedichte des Universums von<br />
Baryonen gestellt werden. Zu Anfang waren alle Baryonen<br />
im Universum sehr gleichmäßig verteilt, doch im<br />
Laufe der Zeit wurden sie in Konzentrationen dunkler<br />
noch deutlicher eine metallreiche Sternpopulation. Rechts: Das<br />
Gleiche wie links, jedoch <strong>für</strong> ein Feld im so genannten G1-<br />
Klumpen; der RGB ist vergleichbar mit dem von Andromeda<br />
NE, berücksichtigt man das bessere Signal-Rausch-Verhältnis<br />
des G1-Klumpen. Die Daten sind in I und V-I zu Gruppen<br />
von 0.1 zusammengefasst und mit einem Gaußfilter geglättet.<br />
Mit eingezeichnet sind Vergleichssequenzen <strong>für</strong> galaktische<br />
Kugelhaufen mit Metallizitäten von (von links nach rechts) [Fe/<br />
H] = –2.2 (M 15), –1.6 (M 2), –0.7 (47 Tuc) und –0.3 (NGC<br />
6553), verschoben um den Entfernungsmodul von M 31, der zu<br />
24.4 mag angenommen wurde.<br />
Sporn<br />
0 1 2 3<br />
V – I [mag]<br />
Klumpen<br />
G1<br />
0 1 2 3<br />
V – I [mag]
Massendichte der Sterne [M pro Dekade der Sternmasse]<br />
5·10 8<br />
4·10 8<br />
3·10 8<br />
2·10 8<br />
1·10 8<br />
alle Galaxien<br />
frühe Typen<br />
späte Typen<br />
0<br />
8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0<br />
lg (Sternmasse)<br />
11.5<br />
Abb. III.38: Die Verteilung der stellaren Masse in allen Galaxien<br />
(grüne Linie), scheiben-dominierten Galaxien späten Typs<br />
(blaue Linie, siehe z.B. Abb. III.39) und sphäroid-dominierten<br />
Galaxien frühen Typs (rote Linie, siehe z.B. Abb. III.40).<br />
Materie hineingezogen. Das Gas kühlte sich ab und<br />
kondensierte zu dichten Gaswolken, aus denen sich<br />
dann Sterne bildeten. Die massereichsten dieser Sterne<br />
blasen starke Sternwinde ab und sterben in mächtigen<br />
Supernovaexplosionen, wobei oft große Mengen die-<br />
Abb. III.39: NGC 4536: ein Beispiel <strong>für</strong> eine Scheibengalaxie<br />
späten Typs, aus dem SDSS. (R. Lupton/SDSS)<br />
III.4 Der Sloan Digital Sky Survey. 83<br />
ses abgekühlten Gases zurück in den intergalaktischen<br />
Raum geschleudert werden (ein Prozess, den man<br />
Feedback oder Rückführung nennt). Daher kann die<br />
Erkundung, wo genau sich die Sterne und das kühle Gas<br />
im lokalen Universum befinden, erheblich dazu beitragen,<br />
die kaum verstandenen baryonischen Prozesse der<br />
Gaskühlung, der Sternentstehung und des Feedback<br />
aufzuklären.<br />
Um die stellare Masse erfassen zu können, benötigt<br />
man genaue Kenntnisse über die Leuchtkräfte von Galaxien<br />
im optischen Licht und im nahen Infrarot. Das<br />
optische Licht von Galaxien wird stark durch junge,<br />
massereiche, helle blaue Sterne sowie durch dunkle<br />
Staubwolken beeinflusst; im Gegensatz dazu ist die<br />
Nahinfrarotstrahlung sehr viel weniger durch junge<br />
Sterne und Staub beeinträchtigt und ermöglicht somit<br />
eine sehr viel verlässlichere Abschätzung der stellaren<br />
Masse. Darüber hinaus ist eine in hohem Grade vollständige<br />
und von systematischen Fehlern freie Stichprobe<br />
von Galaxien nötig, um zu erkennen, wie viele Galaxien<br />
eines bestimmten Typs pro Volumen vorhanden sind.<br />
Der SDSS und der 2MASS sind hierzu hervorragend geeignet,<br />
da sie spektroskopische und optisch/nahinfrarote<br />
photometrische Daten <strong>für</strong> große und von systematischen<br />
Fehlern relativ freie Galaxienstichproben zur Verfügung<br />
stellen.<br />
Um die stellare Masse einer beliebigen Galaxie abschätzen<br />
zu können, muss man jedoch annehmen, dass<br />
die Massenverteilung neu gebildeter Sterne (die stellare<br />
Anfangsmassenfunktion, IMF) eine universelle (konstante)<br />
Funktion ist; das heißt, dass zum Beispiel auf je zehn<br />
Abb. III.40: NGC 5846: eine Beispiel <strong>für</strong> eine sphäroid-dominierte<br />
frühe Galaxie, aus dem SDSS. (R. Lupton/SDSS)
84 III Wissenschaftliche Arbeiten<br />
neu gebildete sonnenähnliche Sterne nur einer mit der<br />
dreifachen Sonnenmasse kommt. Unter der Annahme<br />
einer universellen IMF wurde die in den Sternen von<br />
Galaxien enthaltene Masse abgeschätzt, indem die optischen<br />
und Nahinfrarotleuchtkräfte der Galaxien mit<br />
einer breiten Auswahl an detaillierten Sternpopulationsmodellen<br />
nachgebildet wurden. Daraus erhielt man stellare<br />
Massen mit einer Genauigkeit von typischerweise<br />
30 Prozent (zufällige und systematische Fehler eingeschlossen).<br />
Mittels dieser genauen stellaren Massen<br />
wurde die Verteilung der stellaren Masse im lokalen<br />
Universum rekonstruiert. Zwischen 3 und 8 Prozent der<br />
erwarteten Baryonenmassendichte können durch diese<br />
detaillierten Erfassung der stellaren Masse in Galaxien<br />
erklärt werden – die Bildung von Sternen ist offensichtlich<br />
ein höchst ineffektiver Prozess! Darüber hinaus<br />
zeigt sich, wie in Abb. III.38 deutlich zu sehen, dass der<br />
Großteil der stellaren Masse in Galaxien von ≈ 3 10 10<br />
M enthalten ist, was in etwa der Masse der Milchstraße<br />
entspricht.<br />
Im lokalen Universum gibt es zwei große Klassen von<br />
Galaxien. Einerseits beobachtet man eine große Anzahl<br />
von Galaxien mit ausgeprägten Scheiben, ähnlich unserer<br />
eigenen Milchstraße (siehe Abb. III.39): Diese<br />
Galaxien werden Galaxien späten Typs oder kurz späte<br />
Galaxien genannt. Auf der anderen Seite gibt es eine<br />
geringere Zahl an Galaxien, die von einer sphäroidalen<br />
Sternverteilung beherrscht werden, wie die Galaxie in<br />
Abb. III.40; dies sind die Galaxien frühen Typs oder die<br />
frühen Galaxien. Ihre unterschiedliche Gestalt verrät<br />
eine unterschiedliche Entstehungsgeschichte: Eine sphäroidale<br />
Sternverteilung bedeutet, dass die Galaxie in einem<br />
sich rasch verändernden Potentialtopf zusammengefügt<br />
wurde. Dies deutet darauf hin, dass die Galaxie in<br />
ihrer Vergangenheit wahrscheinlich eine Verschmelzung<br />
mit einer anderen Galaxie etwa gleicher Masse erlitten<br />
hat. Eine dünne scheibenähnliche Sternverteilung dagegen<br />
kann eine solch heftige Begegnung nicht überleben.<br />
Daher spiegeln die relativen Mengen an stellarer<br />
log n gal Mpc –3 [log M] –1<br />
–1<br />
–2<br />
–3<br />
– 4<br />
–5<br />
–6<br />
Materie in späten und frühen Galaxien die Anteile der<br />
Sterne im Universum wider, die keine größere Wechselwirkungen<br />
von Galaxien erlebt haben bzw. die eine<br />
solche mit durchgemacht haben. Wie Abb. III.38 zeigt,<br />
befinden sich zwischen 50 und 75 Prozent der stellaren<br />
Masse im Universum in den sphäroid-dominierten<br />
frühen Galaxien – der Großteil der stellaren Masse im<br />
Universum ist also in der Vergangenheit durch große<br />
Galaxienverschmelzungen beeinflusst worden.<br />
Darüber hinaus ist es möglich, mit Hilfe dieser Daten<br />
die Menge an kaltem Gas in jeder dieser Galaxien abzuschätzen.<br />
Man kann kleinere, aber gut bestimmte Galaxien-Stichproben<br />
mit wohlbekannten stellaren Massen,<br />
Galaxiengrößen und Gasmassen als »Trainingssatz« <strong>für</strong><br />
die SDSS/2MASS-Stichprobe verwenden. Dabei zeigte<br />
sich, dass es eine relativ enge Korrelation zwischen<br />
dem Anteil der als kaltes Gas vorliegenden Masse und<br />
der stellaren Oberflächendichte gibt. Mit Hilfe dieser<br />
Korrelation kann man die Masse des kalten Gases <strong>für</strong><br />
jede SDSS/2MASS-Galaxie bestimmen, wobei die Unsicherheit<br />
<strong>für</strong> eine Einzelgalaxie typischerweise einen<br />
Faktor 2 oder 3 beträgt, die statistische Genauigkeit <strong>für</strong><br />
große Galaxienstichproben aber deutlich besser ist.<br />
Das Ergebnis ist bemerkenswert. Mit Hilfe dieser<br />
Methode ist es möglich, die Massenfunktion von atomarem<br />
und molekularem Wasserstoff im lokalen Universum<br />
zu rekonstruieren, wie in Abb. III.41 dargestellt. Diese<br />
Abbildung zeigt die Verteilung von Gas und stellarer<br />
Masse im lokalen Universum. Mit Hilfe einer statistischen<br />
Methode kann man den SDSS verwenden,<br />
Abb. III.41: (unten) Die Verteilung von Gas und stellarer Masse<br />
im lokalen Universum. Linke und zentrale Bildreihe: blaue Linie<br />
– Verteilung von atomarem und molekularem Wasserstoff; rot<br />
– Beobachtungen. Rechte Bildreihe: grüne Linie – Verteilung<br />
der stellaren Masse; blaue Linie – baryonische Masse in Form<br />
von Gas und Sternen; rote Linie – gesamte baryonische Masse<br />
(einschließlich heißem Gas).<br />
9 10 11 9 10 11 9 10 11<br />
log MHI+He /M log MH2+He /M log M baryon /M
um die Verteilung von atomarem und molekularem<br />
Wasserstoff im lokalen Universum abzuschätzen, wie<br />
durch die blaue Linie in den linken und zentralen Bildreihen<br />
angegeben. Die Beobachtungen sind rot dargestellt.<br />
Offensichtlich kann diese statistische Methode<br />
die Menge und Verteilung von »kaltem« atomaren und<br />
molekularen Gas im lokalen Universum reproduzieren.<br />
Fügt man den stellaren Massen diese so abgeschätzten<br />
Gasmassen hinzu (grüne Linie in der rechten Bildreihe),<br />
erhält man die Verteilung der baryonischen Masse, die<br />
sich in den Zentren von Dunkelmaterie-Halos abgekühlt<br />
hat und zu kaltem Gas und Sternen auskondensiert ist<br />
(blaue Linie in der rechten Bildreihe). Der Vergleich<br />
mit der erwarteten Verteilung der gesamten baryonischen<br />
Masse (beliebig normiert), einschließlich des<br />
heißen Gases, das sich erst noch abkühlen und an der<br />
Galaxienbildung teilnehmen muss (rote Linie in der<br />
rechten Bildreihe), zeigt, dass der Anteil des Gases, das<br />
sich bereits abgekühlt hat und kondensiert ist, stark von<br />
der Halomasse abhängt, wobei Halos mit grob der Masse<br />
des Dunkelmaterie-Halos der Milchstraße die größte<br />
Effizienz haben.<br />
Obwohl nur recht einfache Näherungen in diese<br />
Abschätzung der Gasmasse eingehen, werden Gesamtmenge<br />
und Verteilung des molekularen und atomaren<br />
Wasserstoffs im lokalen Universum verlässlich wiedergegeben.<br />
Hieraus kann dann wiederum die Verteilung<br />
der stellaren Masse und des kalten Gases abgeschätzt<br />
werden. Unter Berücksichtigung aller Unsicherheiten<br />
ergibt sich, dass zwischen 4 und 12 Prozent der gesamten<br />
erwarteten baryonischen Masse entweder in Form<br />
III.4 Der Sloan Digital Sky Survey. 85<br />
von Sternen oder kaltem Gas (d. h. Gas, aus dem sich<br />
irgendwann in der Zukunft Sterne bilden können) vorliegen.<br />
Das bedeutet, dass es nur ein sehr kleiner, fast ver-<br />
nachlässigbarer Bruchteil der Baryonen im Universum<br />
schafft, sich in Galaxien anzusammeln. Vergleicht man<br />
darüber hinaus die Form der Massenfunktion <strong>für</strong> Sterne<br />
und kaltes Gas in Galaxien (blaue Linie in der rechten<br />
Bildreihe von Abb. III.41) mit der erwarteten Form<br />
der Massenfunktion des Dunkelmaterie-Halos (die die<br />
gleiche Form haben sollte wie die Massenfunktion<br />
der gesamten baryonischen Materie, einschließlich des<br />
heißen Gases, das sich noch nicht abgekühlt und in den<br />
Zentralbereichen der Galaxien auskondensiert hat, wo<br />
man es beobachten kann; rote Linie), so zeigt sich, dass<br />
der Bruchteil der Baryonen, die es heute schaffen, in die<br />
Innenbereiche von Galaxien zu gelangen, sehr stark von<br />
der Masse des Galaxienhalos abhängt. Während eine<br />
große Zahl der Baryonen in Galaxien von der Größe der<br />
Milchstraße sich sowohl bei geringen als auch bei großen<br />
Halomassen abkühlen und in Galaxien kondensieren<br />
können, ist der Anteil des Gases, das sich abkühlen und<br />
zu beobachtbaren Sternen und kaltem Gas kondensieren<br />
kann, drastisch reduziert. Dieser Umstand selbst bietet<br />
einen großen Einblick in die Physik der Gaskühlung und<br />
des Feedback und ermöglicht es den Theoretikern, ihre<br />
Modelle der Galaxienentstehung und –entwicklung zu<br />
testen und entsprechend abzustimmen.<br />
(Eva Grebel, Eric Bell, Stefan Kautsch, Alexei Kniazev,<br />
Andreas Koch, David Martínez-Delgado,<br />
Hans-Walter Rix, Jakob Walcher, Daniel Zucker)
86<br />
IV Instrumentelle Entwicklungen<br />
Die Entwicklung neuer Messgeräte ist ein wesentlicher<br />
Bestandteil der Arbeit am <strong>Institut</strong>. Sie geht Hand<br />
in Hand mit der Entwicklung neuer wissenschaftlicher<br />
Fragestellungen und umfasst Projekte ganz unterschiedlicher<br />
Größe.<br />
Während die zeitgemäße Instrumentierung der Teleskope<br />
auf dem Calar Alto sich meist allein mit den Ressourcen<br />
des <strong>MPIA</strong> in Zusammenarbeit mit kleineren und<br />
größeren Industriefirmen bewerkstelligen lässt, erfordern<br />
die Projekte zur Instrumentierung der Großteleskope<br />
der ESO und des LBT, sowie die weltraumgestützten<br />
Experimente die Zusammenarbeit zahlreicher <strong>Institut</strong>e,<br />
die sich jeweils zu weltweiten Konsortien zusammenschließen.<br />
Die Zusammenarbeit mit der Industrie bei der<br />
Entwicklung neuester Technologien ist dabei ein wesentlicher,<br />
gesellschaftsrelevanter Aspekt.<br />
IV.1 Die Infrarotkamera OMEGA 2000<br />
Beobachtungen im nahen Infrarotbereich haben eine<br />
lange Tradition am <strong>Institut</strong>. Angefangen bei den ersten<br />
Bildverstärkern, die bis Wellenlängen um 1 Mikrometer<br />
empfindlich waren, den Bolometern und Photometern<br />
mit einem »Pixel« (Bildelement) als Detektor, über die<br />
MAGIC-Kameras bis hin zu OMEGA-prime und OMEGA-<br />
Cass, den gegenwärtigen Arbeitspferden am 3.5-m-Teleskop,<br />
stand den Astronomen am Calar Alto stets eine<br />
moderne Infrarotausrüstung zur Verfügung (Abb. IV.1).<br />
Aufbauend auf den bisherigen Erfahrungen wurde im<br />
März 1999 beschlossen, eine Weitfeldkamera <strong>für</strong> den<br />
Primärfokus des 3.5-m-Teleskops zu bauen, die auf dem<br />
gerade angekündigten Detektor HAWAII-2 basieren sollte.<br />
Der neue Detektor, dessen kleinere Variante bereits<br />
in OMEGA-prime Verwendung fand, sollte 2048 2048<br />
Pixel haben. Damit eröffnet sich erstmals die Möglichkeit,<br />
in realistischer Beobachtungszeit größere Flächen<br />
am Himmel im Infrarotbereich auch nach schwachen<br />
Objekten zu durchmustern, die dann wiederum mit den<br />
Teleskopen der 8- bis 10-m-Klasse im Detail untersucht<br />
werden können. In den knapp vier Jahren seit dieser<br />
Entscheidung bis zum ersten Licht im Januar <strong>2003</strong> wurde<br />
der Frontring umgerüstet, ein neuer großer Dewar gebaut,<br />
die Optik berechnet und gefertigt, sowie eine völlig neue<br />
Ausleseelektronik entwickelt.<br />
Der Detektor<br />
Der Detektor <strong>für</strong> OMEGA 2000 wird von der Firma<br />
Rockwell in Camarillo (Kalifornien) hergestellt und ist<br />
mit seinen 2048 2048 Pixeln der größte zur Zeit verfügbare<br />
Detektor <strong>für</strong> den Infrarot-Bereich (Abb. IV.2).<br />
Es handelt sich um einen Halbleiterbaustein, dessen<br />
lichtempfindliche Schicht aus HgCdTe besteht. Jedes<br />
Pixel ist 18 µm groß, so dass der gesamte Detektor eine<br />
Fläche von ca. 14 cm 2 hat. Im Mittel werden mehr als<br />
70 % der einfallenden Photonen nachgewiesen. Mit dieser<br />
hohen Quantenausbeute sowie dem sehr geringen<br />
Ausleserauschen, das ca. 15 Photonen entspricht, ist dieser<br />
Detektor zum Nachweis schwacher Infrarotquellen<br />
hervorragend geeignet. Der Bereich seiner spektralen<br />
Empfindlichkeit erstreckt sich von 850 nm, also dem<br />
kurzwelligen Infrarot, das noch mit optischen CCDs erreichbar<br />
ist, bis zu 2.5 µm, wo die thermische Strahlung<br />
der Umgebung (Teleskop, Kuppel, Atmosphäre) schon<br />
deutlich ansteigt und den Nachweis schwacher astronomischer<br />
Objekte erschwert. Die Betriebstemperatur des<br />
Detektors liegt bei –196 °C. Bei höheren Temperaturen<br />
ist das thermische Rauschen so stark, dass keine sinnvollen<br />
Messungen mehr möglich sind. Daher muss das<br />
Instrument mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden.<br />
10000000<br />
Pixelzahl<br />
1000000<br />
100000<br />
10000<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
1<br />
1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012<br />
Jahr<br />
Abb. IV.1: Die Entwicklung der am 3.5-m-Teleskop auf dem Calar<br />
Alto verfügbaren Detektorfläche seit 1980. Aufgetragen ist<br />
die Anzahl der Bildelemente über die Zeit.
Abb. IV.2: Der Detektor <strong>für</strong> die Infrarotkamera OMEGA 2000<br />
Die Optik<br />
Weil die Kamera im Primärfokus des hyperbolischen<br />
Hauptspiegels eingesetzt wird, ist ein Korrektor nötig.<br />
Diese Optik sollte über den gesamten Empfindlichkeitsbereich<br />
des Detektors achromatisch sein, d. h. die<br />
Bildqualität sollte nicht von der Farbe des einfallenden<br />
Lichtes abhängen. Weiterhin muss der großen sammelnden<br />
Fläche Rechnung getragen werden, wobei<br />
der Abbildungsmaßstab (Bogensekunden/Pixel) einen<br />
Kompromiss zwischen der Auflösung und dem in einer<br />
Aufnahme erfassten Raumwinkel darstellt. Da OMEGA<br />
2000 in erster Linie ein Instrument <strong>für</strong> Durchmusterungen<br />
sein soll, wurde eine relativ große Pixelskala von<br />
0.45/Pixel gewählt. Diese Forderungen ließen sich nach<br />
Berechnungen der Ingenieure am <strong>MPIA</strong> mit vier Linsen<br />
erreichen, die aus CaF 2 , Quarzglas, BaF 2 und ZnSe bestehen.<br />
Dabei war sogar die Durchbiegung des Eintrittsfensters<br />
beim Evakuieren des Dewar (siehe unten) um<br />
106 µm mit einzubiehen. Wie die Rechnungen zeigten, ist<br />
diese Optik praktisch verzerrungsfrei. Allerdings sind die<br />
Toleranzen <strong>für</strong> die Montierung sehr kritisch: Die Linsen<br />
müssen auf ±50 µm genau zentriert sein und dürfen nicht<br />
mehr als ±30 gegen die optische Achse verkippen.<br />
Der Dewar<br />
Der Dewar ist eine große »Thermoskanne« <strong>für</strong> den<br />
Detektor, die Optik, die Filter und eine kalte Eintritts-pupille,<br />
die alle durch flüssigen Stickstoff auf ca. –180 °C<br />
gekühlt sein müssen, um das thermische Rauschen bzw.<br />
den thermischen Strahlungsuntergrund zu unterdrücken<br />
(Abb. IV.3). Der Dewar <strong>für</strong> OMEGA 2000 war der größte,<br />
den die Firma »Infrared Labs« je hergestellt hatte: Mit<br />
einem Durchmesser von 60 cm und einer Höhe von 168<br />
cm fassen die beiden Stickstofftanks 47 bzw. 72 Liter. Auf<br />
dem Frontring können die Tanks nur halb gefüllt werden,<br />
denn das Teleskop soll noch in alle Beobachtungspositionen<br />
gebracht werden können, ohne dass der Stickstoff<br />
aus den Tanks läuft. Mit diesem Stickstoffvorrat kann<br />
der Dewar seine Beobachtungstemperatur <strong>für</strong> ca. 35<br />
Stunden halten, genug <strong>für</strong> eine lange Winternacht.<br />
Abb. IV.3: Der Dewar und sein Innenleben.<br />
Füllröhren<br />
äußerer Stickstoffbehälter<br />
innerer Stickstoffbehälter<br />
Detektoreinheit<br />
Eintrittsfenster<br />
Filtereinheit<br />
kaltes Baffle<br />
IV.1 Die Infrarotkamera OMEGA 2000 87
88 IV Instrumentelle Entwicklungen<br />
Um den warmen Hintergrund der Kuppel möglichst<br />
effektiv vom Detektor abzublenden, baut der<br />
Dewar vor dem Detektor bis zur kalten Eintrittsblende<br />
hinter dem Eintrittsfenster weit auf, was die große<br />
Baulänge des Dewars bewirkt. Bedingt durch die geometrische<br />
Öffnung des Strahlenbündels muss damit<br />
das Eintrittsfenster einen Durchmesser von 35 cm aufweisen.<br />
Beim Evakuieren des Dewars biegt sich dieses<br />
Fenster trotz seiner Dicke von 22 mm um 1 / 10 mm nach<br />
innen durch und wird zur Linse, die wie oben erwähnt, in<br />
die Optikrechnungen mit einzubeziehen ist, um die hohe<br />
Bildqualität zu erhalten.<br />
Kryotechnik<br />
Detektor, Optik und Filterrad werden von Zimmertemperatur<br />
auf –180 °C abgekühlt und bei diesen tiefen<br />
Temperaturen im Vakuum betrieben. Dies stellt besondere<br />
Anforderungen an Konstruktion und Fertigung<br />
der Einzelteile. Die vier Linsen sind z. B. alle aus unterschiedlichen<br />
Materialien, ihr thermisches Verhalten<br />
ist wiederum verschieden von dem der Optikfassung<br />
aus Aluminium. Ohne besondere Vorkehrungen würden<br />
die Linsen das Abkühlen nicht überleben. Im<br />
Konstruktionsbüro des <strong>MPIA</strong> wurde <strong>für</strong> die Lagerung<br />
der Linsen der Trick angewandt, die Linsen auf 45°<br />
Fasen zu lagern und mit Federn über einen Passring auf<br />
diese Fase zu drücken. Beim Abkühlen schrumpfen zwar<br />
die Linsen, können sich aber auf den Fasen bewegen.<br />
Die hohe Zentriergenauigkeit (s.o.) wird durch die exak-<br />
Abb. IV.4: Steuer- und Auslese-Elektronik der Infrarotkamera.<br />
te Ausführung der Oberflächen und die Federkraft der<br />
Zentrierringe gewährleistet. Dennoch war es bei der ersten<br />
Aufnahme am Himmel spannend zu sehen, ob sich<br />
die vorausberechnete Abbildungsqualität auch wirklich<br />
einstellen würde.<br />
Ein weiterer Kniff musste bei den Filterrädern eingesetzt<br />
werden. Diese werden zwar mit käuflichen Kryomotoren<br />
angetrieben, aber ohne besondere Vorkehrungen<br />
würde es sehr lange dauern, bis sich die Filterräder auf<br />
die Betriebstemperatur abgekühlt hätten. Die Kugellager,<br />
auf denen die Räder ruhen, sind aufgrund der geringen<br />
Kontaktflächen nämlich sehr gute Isolatoren. Ein<br />
Metallfinger, der bei Erreichen der gewünschten Filterradstellung<br />
einrastet, bringt hier über seine relativ große<br />
Berührungsfläche Abhilfe.<br />
Elektronik<br />
Die gesamte Elektronik zum Auslesen des Detektors<br />
sowie zum Steuern des Instrumentes wurden am <strong>MPIA</strong><br />
konzipiert und gebaut. Insbesondere an die Auslese-<br />
Elektronik werden hohe Anforderungen bezüglich Ge-<br />
Abb. IV.5: Die HII-Region IC 1470 und ihre Umgebung. Oben:<br />
Das volle Feld von 15.4 Kantenlänge und ursprünglicher<br />
Pixelskala. a) ein Ausschnitt um die HII-Region.b) derselbe<br />
Ausschnitt aus der 2MASS-Durchmusterung.
a b<br />
IV.1 Die Infrarotkamera OMEGA 2000 89
90 IV Instrumentelle Entwicklungen<br />
schwindigkeit und Güte (Rauscharmut) gestellt. Durch<br />
den hohen thermischen Hintergrund muss ein infrarotempfindlicher<br />
Detektor sehr schnell ausgelesen werden,<br />
schnell genug um eine Sättigung des Detektors zu verhindern.<br />
In der Praxis heißt das, dass die 4 Millionen<br />
Datenpunkte innerhalb weniger als einer Sekunde in den<br />
Rechner übertragen werden müssen. Durch paralleles<br />
Auslesen über 32 Kanäle erreichen wir mit OMEGA 2000<br />
eine minimale Auslesezeit von 0.8 Sekunden. Damit<br />
kann auch im K-Bereich bei 2.4 µm Wellenlänge noch<br />
gut gearbeitet werden. Der Ausleseprozess fügt dem<br />
Signal unweigerlich eine Rauschkomponente hinzu. Die<br />
Elektronik muss daher sehr präzise auf den Detektor<br />
abgestimmt und die einzelnen Komponenten bezüglich<br />
ihres Rauschverhaltens optimiert werden. Bei OMEGA<br />
2000 liegt das durch die Elektronik eingeführte zusätzliche<br />
Rauschen deutlich unter dem Eigenrauschen des<br />
Detektors. Damit sind alle Beobachtungen – auch in<br />
engen Filtern, in denen das Hintergrundssignal relativ<br />
niedrig ist – durch das Rauschen im Himmelshintergrund<br />
begrenzt. Das Instrument arbeitet also in dieser Hinsicht<br />
im optimalen Bereich.<br />
Beobachten mit OMEGA 2000<br />
Die Einstellungen der Kamera (Filter, Belichtungszeiten<br />
usw.) können interaktiv über eine graphische<br />
Benutzeroberfläche vorgenommen werden. Dort können<br />
auch die Rohbilder in Augenschein genommen und<br />
so die Beobachtungen optimiert werden. Interaktives<br />
Arbeiten ist aber stets mit Zeitverzögerungen verbunden.<br />
Um die Teleskopzeit möglichst effizient zu nutzen<br />
und Fehlermöglichkeiten auszuschließen, lassen sich<br />
Teleskop und Instrument über vorbereitete Programme,<br />
sogenannte Makros oder Prozeduren, steuern. Die<br />
Makros können auch innerhalb eines astronomischen<br />
Bildverarbeitungspakets ausgeführt werden und erlauben<br />
außerdem die vorläufige Aufbereitung der Daten unmittelbar<br />
am Teleskop. Dies ist im Infrarotbereich besonders<br />
wichtig. Wie oben dargelegt, sind oft Belichtungszeiten<br />
in der Größenordnung von einer Sekunde nötig, um den<br />
Detektor nicht zu sättigen. Bei angestrebten stundenlangen<br />
Gesamtintegrationszeiten sind daher Tausende<br />
von Aufnahmen nötig, um schwache Objekte noch vermessen<br />
zu können. Weiterhin erfordert der stets variable<br />
Himmelshintergrund eine spezielle Behandlung. All<br />
dies führt dazu, dass die astronomische Information den<br />
Einzelbildern der Rohdaten nicht direkt zu entnehmen<br />
ist. Während das Instrument im vorprogrammierten<br />
Modus automatisch beobachtet, kann völlig unabhängig<br />
von der Datenaufnahme eine erste Auswertung und<br />
vor allem eine positionsgerechte Summation der vielen<br />
Bilder eines Objektes durchgeführt werden. Innerhalb<br />
weniger Minuten nach Abschluss einer Aufnahmeserie<br />
hat der Astronom so die Möglichkeit, seine Daten quantitativ<br />
zu beurteilen. Auch dies dient einer effizienten<br />
Nutzung der wertvollen Teleskopzeit, da aufgrund dieser<br />
Analysen die nachfolgenden Beobachtungen weiter optimiert<br />
werden können.<br />
Erste Ergebnisse<br />
Aufgrund des großen Bildfeldes ist OMEGA 2000<br />
da<strong>für</strong> prädestiniert, Durchmusterungsaufgaben durchzuführen.<br />
Am <strong>Institut</strong> wurden daher mit Verfügbarkeit der<br />
neuen Kamera mehrere Projekte begonnen, die auf das<br />
Auffinden bestimmter Objektgruppen – sowohl galaktischer<br />
als auch extragalaktischer Art – abzielen.<br />
Von der Gruppe Stern- und Planetenentstehung<br />
(Birkmann et al.) wurden Sternentstehungsgebiete<br />
in der Milchstraße durchmustert. Das große Bild in<br />
Abb. IV.5 zeigt das Gebiet um IC 1470 in H, Ks und<br />
Br-γ entsprechend den Farben blau, grün und rot<br />
der Falschfarbendarstellung im vollen Feld von 15.4<br />
mit der ursprünglichen Pixelskala von 0.45/Pixel.<br />
Dominierendes Objekt im Feld ist IC 1470, die ausgedehnte<br />
HII-Region im Norden. Um einen Eindruck von<br />
Schärfe und Tiefe der Aufnahme zu geben, zeigt der<br />
Ausschnitt ein ca. 5.6 großes Feld um IC 1470. Im NE<br />
ist ein bipolarer Nebel zu erkennen, die Farbzuweisung<br />
ist wie vorher und die Pixelskala ist auf 0.225/Pixel gestreckt.<br />
Zum Vergleich gibt das dritte Bild unten rechts<br />
dieselbe Region aus der 2MASS-Durchmusterung.<br />
Blau, grün, rot entsprechen hier J, H, Ks, wobei die<br />
Pixelskala der 2MASS-Daten bei 1/Pixel liegt.<br />
Im extragalaktischen Bereich wird OMEGA am <strong>Institut</strong><br />
vor allem im Rahmen zweier Projekte eingesetzt, die<br />
unter dem Namen MANOS (MPI <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong> Near<br />
Infrared and Optical Surveys) zusammengefasst sind:<br />
In COMBO 17+4 soll die bestehende Durchmusterung<br />
in 17 Filtern mit dem Wide Field Imager (siehe frühere<br />
<strong>Jahresbericht</strong>e) mittels OMEGA 2000 mit vier<br />
weiteren Filtern auf den Infrarotbereich ausgedehnt<br />
werden. Damit wird ein Zensus der Galaxienpopulation<br />
bis zu Rotverschiebungen von etwa z = 2 ermöglicht.<br />
(Dagegen reichte der ursprüngliche Datensatz nur bis<br />
zur Rotverschiebung z = 1.2.)<br />
Das Studium von Galaxienhaufen, den größten gebundenen<br />
Objekten im Universum, ist bislang auf<br />
den Rotverschiebungsbereich unterhalb von etwa z = 1<br />
beschränkt, bedingt durch die bislang verfügbaren<br />
Suchmethoden. Da auch entfernte (und damit junge)<br />
Haufen bereits einen signifikanten Anteil roter elliptischer<br />
Galaxien enthalten, lässt sich – wie in COMBO<br />
17+4 – durch Ausdehnen der Wellenlängenüberdeckung<br />
ins Infrarote ein Fortschritt erzielen. Für das Projekt<br />
HIROCS (Heidelberg Infrared/Optical Cluster Survey)<br />
wird OMEGA 2000 genutzt, um eine Stichprobe entfernter<br />
Haufen mit Rotverschiebungen bis etwa z = 1.5 zusammenzustellen.<br />
Die dazu auch benötigten optischen Daten<br />
werden mit LAICA gewonnen. Im September konnten<br />
mit OMEGA 2000 von einem Durchmusterungsfeld be-
a b<br />
Abb. IV.6: Oben: Mosaik über 1°.0 0°.75 aus Aufnahmen mit<br />
OMEGA 2000. Integrationszeit pro Aufnahme: 1500 s. Unten:<br />
a) ein vergrößerter Ausschnitt, b) zum Vergleich derselbe<br />
Ausschnitt aus dem photographischen Digital Survey II.<br />
reits Daten über mehr als ein Quadratgrad gesammelt<br />
werden. Die Belichtungszeit betrug insgesamt 3000 s<br />
pro OMEGA-Feld. In Abb. IV.6 ist das Ergebnis der<br />
Auswerung am Teleskop als Mosaik über 1°.0 0°.75<br />
dargestellt.<br />
IV.1 Die Infrarotkamera OMEGA 2000 91<br />
Das Mosaik umfasst jeweils die Hälfte der verfügbaren<br />
Integrationszeit, also 1500 Sekunden. Der rot<br />
umrandete Bereich ist unten links nochmals im Originalmaßstab<br />
zu sehen. Zum Vergleich wird unten rechts der<br />
entsprechende Ausschnitt aus dem photographischen<br />
Digital Sky Survey II (rot) gezeigt.<br />
(H.-J. Röser, P. Bizenberger, M. Alter, C. Bailer-<br />
Jones, H. Baumeister, A. Böhm, F. Briegel, B. Grimm,<br />
Z. Kovács, W. Laun, U. Mall, R.-R. Rohloff, C. Storz, K.<br />
Zimmermann, S. Zoltán)
92 IV Instrumentelle Entwicklungen<br />
IV.2 Die Weitfeldkamera LAICA<br />
Die Weitfeldkamera LAICA, die bereits im <strong>Jahresbericht</strong><br />
2002 vorgestellt wurde, konnte in diesem Jahr endgültig<br />
fertig gestellt werden. Die Kamera wurde mit dem Ziel<br />
entwickelt, das große Feld von einem Grad Durchmesser,<br />
das im Primärfokus des 3.5-m-Teleskops zur Verfügung<br />
steht, möglichst vollständig auszunutzen. Astronomische<br />
Anwendungen einer solchen Weitfeldkamera sind vielfältig<br />
und reichen von der Suche nach fernen Galaxienhaufen,<br />
fernen Galaxien und Quasaren bis hin zur Suche nach<br />
Braunen Zwergen in der Nachbarschaft der Sonne.<br />
LAICA arbeitet im optischen Spektralbereich, also von<br />
350 nm bis 1000 nm Wellenlänge. Als Detektoren werden<br />
vier CCDs mit jeweils 4096 4096 Bildelementen (Pixel)<br />
verwendet; demnach stehen insgesamt 67 Millionen<br />
Pixel bereit. Bei einer Pixelgröße von 15 Mikrometern<br />
ergibt sich eine Skala von 0.225 Bogensekunden pro<br />
Pixel, so dass auch bei gutem Seeing (der Medianwert<br />
auf dem Calar Alto beträgt 0.85 Bogensekunden) alle<br />
Aufnahmen sehr gut aufgelöst werden. Aus technischen<br />
Gründen können die einzelnen CCDs nicht nahtlos aneinander<br />
gesetzt werden; daher wurde eine Anordnung<br />
gewählt, bei der der Abstand der CCDs voneinander<br />
fast einer Kantenlänge derselben entspricht (siehe Abb.<br />
IV.7). Mit vier Aufnahmen kann damit eine vollständige<br />
Überdeckung eines Feldes von einem Quadratgrad erreicht<br />
werden.<br />
Elektronisch sind die CCDs in Quadraten unterteilt,<br />
die von einer im <strong>MPIA</strong> speziell <strong>für</strong> diesen Zweck entwickelten<br />
Elektronik ausgelesen werden. Durch diese para-<br />
Abb. V.7: Der aus vier CCDs zusammengesetzte Detektor von<br />
LAICA. Zu erkennen sind auch zwei kleinere CCDs, die zur<br />
Nachführung benutzt werden.<br />
llele Auslese erreicht man eine kurze Auslesezeit von<br />
etwa einer Minute <strong>für</strong> alle vier CCDs. Jede Aufnahme<br />
mit LAICA ergibt 142 Mbyte Daten. Es stehen zwei<br />
Filtersätze zur Verfügung: Johnson UBVRI und SDSS<br />
ubgriz. Diese Filter sind in einem Magazin mit 20<br />
freien Plätzen untergebracht.<br />
Die endgültige Fertigstellung von LAICA hatte sich vor<br />
allem deswegen verzögert, weil drei der vier CCDs defekt<br />
waren und ersetzt werden mussten. Seit August <strong>2003</strong> sind<br />
aber vier funktionsfähige CCDs vorhanden. Es zeigte<br />
sich auch, dass der Hauptspiegel des Teleskops leicht verkippt<br />
war und deshalb nachjustiert werden musste, weil<br />
alle Aufnahmen mit LAICA eine starke, feldunabhängige<br />
Koma aufwiesen. Aufnahmen bei einem Seeing von 0.8<br />
Bogensekunden zeigen, dass die erreichte Bildqualität<br />
jetzt sehr gut ist. Um eine gute Bildqualität zu gewährleisten,<br />
wurde auch ein Kühlsystem installiert, welches<br />
die von der Elektronik der Kamera dissipierte Wärme<br />
abführt und so Verschlechterungen des Seeing durch aufsteigende<br />
Warmluft verhindert; dieses Kühlsystem kann<br />
auch in Verbindung mit anderen Instrumenten benutzt<br />
werden. Bei ersten, am Jahresende von Staff-Kollegen<br />
des Calar Alto durchgeführten Beobachtungen hat LAICA<br />
problemlos gearbeitet.<br />
(J.W. Fried, H. Baumeister, W. Benesch, F. Briegel,<br />
U. Graser, B. Grimm, K.H. Marien, R.-R.Rohloff,<br />
H. Unser, K.Zimmermann).
IV.3 Der Wellenfrontsensor PYRAMIR<br />
PYRAMIR ist ein neuartiger Wellenfrontsensor <strong>für</strong> das<br />
nahe Infrarot. Er soll in der Adaptiven Optik ALFA am<br />
3.5-m-Teleskop auf dem Calar Alto zum Einsatz kommen<br />
und wird dort den klassischen, im Sichtbaren arbeitenden<br />
Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor (SHS) ergänzen.<br />
Ähnlich dem SHS liefert PYRAMIR ein Signal,<br />
das ein Maß <strong>für</strong> die lokale Neigung der Wellenfront ist.<br />
Mit diesem Signal wird die Verformung eines deformierbaren<br />
Spiegels so gesteuert, dass die lokale Neigung der<br />
Wellenfront korrigiert wird.<br />
Das Arbeitsprinzip des PWS ist in Abb. IV.8 schematisch<br />
dargestellt. Ein gestörter Lichtstrahl trifft die Pyramide<br />
nicht exakt auf ihrer Spitze. Dadurch gelangt dieser<br />
Lichtstrahl bevorzugt in eine von vier Pupillen (im Bild<br />
Pupille<br />
P<br />
Pyramide<br />
Kollimator<br />
Detektor<br />
Abb. IV.8: Messprinzip des Pyramiden-Wellenfrontsensors. Eine<br />
lokale Verkippung der Wellenfront an einem Punkt P der<br />
Teleskoppupille führt zu einer Verschiebung des Fokuspunkts<br />
der von P ausgehenden Lichtwelle. Sitzt im Fokus ein pyramidenförmiger<br />
Strahlteiler, so fällt der Lichtstrahl im Beispiel nur<br />
auf eine Seite. Betrachtet man die Intensitätsverteilung in den<br />
Pupillenbildern, so ist die Intensität einmal erhöht (P + ) und einmal<br />
erniedrigt (P – ). Die Intensitätsdifferenz ist ein Maß <strong>für</strong> die<br />
lokale Verkippung der Wellenfront in der Teleskoppupille.<br />
P –<br />
P +<br />
IV.3 Der Wellenfrontsensor PYRAMIR 93<br />
Abb. IV.9: Im Labor <strong>für</strong> Adaptive Optik testet Karl Wagner den<br />
Wellenfrontsensor PYRAMIR.<br />
sind der Einfachheit halber nur zwei Pupillen gezeigt).<br />
Die Differenz der Intensitäten in den Bildern P + und P –<br />
ergibt somit das Vorzeichen (die Richtung) der lokalen<br />
Wel-lenfrontneigung. Lässt man die Pyramide kreisförmig<br />
oszillieren, so fällt der gestörte Lichtstrahl bei einer<br />
Integrationszeit, die einigen Oszillationen entspricht, in<br />
alle Pupillen. Aus der Differenz der Intensitäten ergeben<br />
sich dann die lokalen Wellenfrontneigungen.<br />
Obwohl der PWS genau wie der SHS die lokale<br />
Neigung der einfallenden Wellenfront misst, zeigt er<br />
doch ein deutlich besseres Rauschverhalten in der<br />
Regelschleife als der SHS, denn der PWS registriert<br />
eine Begradigung der Wellenfront über den gesamten<br />
Teleskopspiegel.<br />
Die Designphase <strong>für</strong> PYRAMIR wurde Ende <strong>2003</strong> abgeschlossen.<br />
Alle Komponenten – Dewar, Detektor, Ausleseelektronik,<br />
Echtzeit-Rechner, Ansteuerelektronik <strong>für</strong><br />
den deformierbaren Spiegel, optische Komponenten,<br />
Motoren, Metrologie, Software – sind bestellt bzw. wurden<br />
bereits angeschafft.<br />
Im Laufe des Jahres wurden im AO-Labor verschiedene<br />
Glaspyramiden untersucht. Die <strong>für</strong> PYRAMIR vorgesehenen<br />
Spezifikationen wurden bisher noch nicht<br />
erreicht. Gegen Ende des Jahres wurden weitere Glaspyramiden<br />
untersucht.<br />
Der aktuelle Zeitplan sieht eine erste Inbetriebnahme<br />
auf dem Calar Alto gegen Ende 2004 vor.<br />
(P. Bizenberger, Joana Costa, B. Grimm, M. Feldt<br />
(PI, Science), Th. Henning, S. Hippler (PM, Software),<br />
R.-R. Rohloff, R. Ragazzoni; K. Wagner; S. Esposito,<br />
Osservatorio di Arcetri)
94 IV Instrumentelle Entwicklungen<br />
IV.4 LUCIFER: Eine vielseitige Infrarotkamera <strong>für</strong> das<br />
LBT<br />
LUCIFER ist eine Kamera <strong>für</strong> das nahe Infrarot mit<br />
Gitterspektroskopie <strong>für</strong> den Einsatz am Large Binocular<br />
Telescope (LBT). Das Gerät wird vielfältig einsetzbar<br />
sein, hauptsächlich <strong>für</strong> extragalaktische Beobachtungsprogramme.<br />
Es wird von einem Konsortium von fünf<br />
<strong>Institut</strong>en entwickelt.<br />
Die Projektleitung <strong>für</strong> LUCIFER (LBT NIR-Spectroscopic<br />
Utility with Camera and Integral-Field Unit for<br />
Extragalactic Research) liegt bei der Landessternwarte in<br />
Heidelberg; am <strong>MPIA</strong> wird die Ausleseelektronik entwickelt,<br />
das MPI <strong>für</strong> Extraterrestrische Physik in Garching<br />
ist zuständig <strong>für</strong> die Entwicklung der MOS-Einheit, die<br />
Universität Bochum liefert die Software, und die Fachhochschule<br />
Mannheim ist <strong>für</strong> den Entwurf der kryomechanischen<br />
Komponenten zuständig. LUCIFER wird in<br />
zwei identischen Exemplaren gebaut, die im Abstand<br />
von etwa einem Jahr am LBT in Betrieb gehen sollen.<br />
LUCIFER ist sowohl <strong>für</strong> Seeing-begrenzte als auch <strong>für</strong><br />
beugungsbegrenzte Anwendungen ausgelegt. Die folgenden<br />
Beobachtungsmodi werden verfügbar sein:<br />
• Direkte, Seeing-begrenzte Abbildung eines 4 4<br />
Quadratbogenminuten großen Gesichtsfeldes<br />
• Seeing- und beugungsbegrenzte Langspalt-<br />
Spektroskopie<br />
• Seeing-begrenzte Multi-Objekt-Spektroskopie<br />
mit Spaltmaske<br />
• Beugungsbegrenzte Abbildung über ein Feld von<br />
0.5 0.5 Größe<br />
• Feldspektroskopie und Abbildung bei Unterdrü-<br />
ckung der atmosphärischen OH-Linien (<strong>für</strong> die<br />
Ausbauphase vorgesehen)<br />
Für die Seeing-begrenzte direkte Abbildung stehen<br />
zwei Abbildungsmaßstäbe zur Verfügung (0.12 Bogensekunden/Pixel<br />
und 0.25 Bogensekunden/Pixel), eine<br />
zusätzliche hochauflösende Kamera (15 Millibogensekunden/pixel)<br />
ist an die beugungsbegrenzte Auflösung<br />
angepasst. Bei der Multi-Objekt-Spektroskopie wird der<br />
Austausch von Fokalmasken mit Hilfe eines kryogenen<br />
Roboters möglich sein. Das Austauschen des Maskenmagazins<br />
wird ohne Erwärmen des gesamten Kryostaten<br />
möglich sein: Über eine Schleuse wird das Magazin in<br />
einen Hilfskryostaten gefahren.<br />
Die Auslese-Elektronik ist in einer ersten Version<br />
fertiggestellt. Gegenwärtig wird der Detektor von LUCI-<br />
FER-I in einem Labor-Kryostaten am <strong>MPIA</strong> getestet, die<br />
Auslese-Elektronik wird optimiert. Der Detektor <strong>für</strong><br />
LUCIFER-2 ist bestellt.<br />
Das kryomechanische Design ist weitgehend abgeschlossen,<br />
der Kryostat befindet sich in der Fertigung.<br />
Wichtige Einzelkomponenten sind bereits bestellt bzw.<br />
geliefert. Integration und Tests des ersten Instruments<br />
LUCIFER-1 sollen Ende 2004 abgeschlossen sein, seine<br />
Inbetriebnahme ist <strong>für</strong> Frühjahr 2005 geplant. Das zweite<br />
Instrument LUCIFER-2 soll etwa ein Jahr später am<br />
LBT zum Einsatz kommen.<br />
(R. Lenzen, H. Baumeister, P. Bizenberger, B. Grimm,<br />
T. Herbst, W. Laun, R.-R. Rohloff)<br />
Abb. IV.10: LUCIFER in dreidimensionaler Darstellung: Der<br />
Kryostat ist etwa einen Meter lang und einen Meter breit.
IV.5 LINC-NIRVANA – das Interferometer <strong>für</strong> das LBT<br />
Das Large Binocular Telescope (LBT) besitzt zwei<br />
Hauptspiegel, die auf einer gemeinsamen Montierung<br />
ruhen. Diese einzigartige Konstruktion ermöglicht sehr<br />
interessante interferometrische Anwendungen, vorausgesetzt,<br />
die von den beiden Spiegeln aufgefangenen<br />
Lichtstrahlen werden in der richtigen Weise überlagert.<br />
Diese zentrale Aufgabe wird das hier beschriebene<br />
Instrument übernehmen.<br />
LINC-NIRVANA ist ein Bildebenen-Interferometer <strong>für</strong><br />
den Nahinfrarotbereich mit multikonjugierter adaptiver<br />
Optik (MCAO). (LINC steht <strong>für</strong> LBT Interferometric<br />
Near-infrared Camera, NIRVANA <strong>für</strong> Near-IR/Visible<br />
Adaptive iNterferometer for Astronomy). Das Gerät<br />
soll das von den beiden 8.4 m großen Hauptspiegeln<br />
des LBT gesammelte Licht im so genannten »Fizeau«-<br />
Modus vereinen. Bei dieser Konfiguration bleibt<br />
die Phaseninformation erhalten, und sie erlaubt echte<br />
Bildaufnahmen in einem weiten Gesichtsfeld. Mit<br />
Hilfe modernster Detektorenarrays wird das mit dem<br />
MCAO-System gekoppelte LINC-NIRVANA innerhalb eines<br />
Gesichtsfelds von zwei Quadratbogenminuten die<br />
Abb. IV.11: Übersicht über die Gregory-Instrumentenplattform<br />
am LBT. Die Position des LINC-NIRVANA-Instruments ist angegeben.<br />
IV.5 LINC-NIRVANA – das Interferometer <strong>für</strong> das LBT. 95<br />
Empfindlichkeit eines 12-m-Teleskops und die räumliche<br />
Auflösung eines 23-m-Teleskops besitzen.<br />
Die Optik der beiden LBT-Teleskope, die auf einer gemeinsamen<br />
Montierung sitzen, ist ein Gregory-System.<br />
Die Sekundärspiegel sind voll-adaptiv, mit jeweils 672<br />
Aktuatoren, und werden Bodenschichtturbulenzen bis<br />
zu einer Höhe von 100 m über dem Teleskop wirksam<br />
korrigieren können.<br />
Das Instrument ist auf der Gregory-Fokalplattform<br />
des Teleskops platziert (Abb. IV.11). Das von den beiden<br />
Tertiärspiegeln des LBT kommende Licht wird in<br />
einen gefalteten Strahlengang zu einem longitudinal<br />
verschiebbaren Spiegel fokussiert, der in der Mitte der<br />
Instrumentenbank sitzt und das Licht in den darunter<br />
liegenden Dewar reflektiert (Abb. IV.12). Dieser Spiegel<br />
korrigiert auch Längenunterschiede im Lichtweg, um eine<br />
optimale interferometrische Überlagerung der beiden<br />
Strahlen zu gewährleisten. Die Dewar-Optik überlagert<br />
die einfallenden Strahlenbündel der homothetischen<br />
Teleskoppupillen mit Hilfe eines Cassegrain-Systems<br />
plus Strahlteiler auf den 2K 2K-Detektor, wo die<br />
Interferenz stattfindet. Ein Interferenzstreifen-Tracker am<br />
Boden des Dewars kontrolliert die Lichtwegunterschiede<br />
durch Verschieben des longitudinalen Spiegels (Abb.<br />
IV.13).<br />
LINC-NIRVANA ist mit zwei Wellenfrontsensoren<br />
ausgestattet (Abb. IV.12), mit denen die Wellenfrontverzerrungen<br />
von bis zu drei Atmosphärenschichten
96 IV Instrumentelle Entwicklungen<br />
Abb. IV.12: Übersicht über den Strahlengang auf der optischen<br />
Bank von LINC-NIRVANA. Das kleine Bild zeigt den »vollgestopften<br />
Bereich« des longitudinalen Spiegels, der sich in der<br />
Mitte des Übersichtsbilds befindet.<br />
gemessen und korrigiert werden können: das Ground-<br />
Layer Wavefront System GWS befindet sich direkt<br />
am Eingang des Strahlengangs auf beiden Seiten des<br />
Instruments. Das GWS korrigiert mit Hilfe der adaptiven<br />
Sekundärspiegel des Teleskops die Turbulenzen der<br />
atmosphärischen Bodenschicht. Das Mid/High-Layer<br />
Wavefront System MHWS befindet sich in zwei Türmen<br />
am Rand der Instrumentenbank. Das sichtbare Licht der<br />
beiden Instrumentenarme wird durch zwei Strahlteiler<br />
direkt unterhalb des longitudinalen Spiegels entkoppelt<br />
und über eine f/20-Optik und zwei Klappspiegel am<br />
Boden der MHWS-Türme zu den MHWS geführt. Die<br />
MHWS erfassen die mittleren (4 – 8 km) und hohen<br />
(8 – 14 km) Atmosphärenschichten in den jeweiligen<br />
Teleskopstrahlengängen und optimieren das Objektsignal<br />
mittels zweier verformbarer Spiegel, die an den Rändern<br />
der gefalteten Strahlengänge auf der Instrumentenbank<br />
platziert sind. Sowohl das GWS als auch das MHWS<br />
verwenden das Licht natürlicher Sterne (12 beim GWS<br />
in einem ringförmigen Feld im Abstand von 2 – 6<br />
Bogenminuten vom Feldzentrum und 8 beim MHWS<br />
im zentralen 2 Bogenminuten großen Gesichtsfeld)<br />
Abb. IV.13: Ein Querschnitt durch den auf der Instrumentenbank<br />
montierten Instrumentenkryostat.
Abb. IV.14: Simuliertes Bild eines Sternfeldes, wie es von LINC-<br />
NIRVANA aufgezeichnet wird. Das kleine Bild zeigt das Interferenzstreifenmuster,<br />
das in jedes Objektbild im Gesichtsfeld des<br />
Instruments gefaltet wird.<br />
zum Abtasten der Wellenfront. Das Licht der jeweiligen<br />
Sterne wird durch optische Summation verstärkt, um das<br />
Signal-Rauschverhältnis zu verbessern.<br />
Abb. IV.14 zeigt ein simuliertes Bild eines Sternfeldes,<br />
wie es von LINC-NIRVANA aufgezeichnet wird: das Interferenzstreifenmuster<br />
(siehe kleines Bild in Abb. IV.14)<br />
moduliert jedes Objektbild, wie es von der adaptiven<br />
Optik des Instruments geliefert wird. Die Pixelauflösung<br />
schwankt mit der Wellenlänge von 3.5 Millibogensekunden<br />
im J-Band über 4.6 Millibogensekunden im H-Band<br />
bis 6.0 Millibogensekunden im K-Band. Das Gesichtsfeld<br />
des wissenschaftlichen Detektors beträgt 10.5 <br />
10.5 Bogensekunden. Die geschätzten Grenzgrößen<br />
im JHK-Bereich <strong>für</strong> Punktquellen bei einer Stunde<br />
Belichtungszeit sind deutlich schwächer als 25 mag. Das<br />
große Gesichtsfeld des wissenschaftlichen Detektors<br />
kombiniert mit dem Lichtsammelvermögen des LBT<br />
und der Anwendung von MCAO wird LINC-NIRVANA auf<br />
allen Gebieten der astronomischen Forschung zu einem<br />
einzigartigen Instrument <strong>für</strong> Untersuchungen mittels<br />
hochauflösender Bildinterferometrie machen.<br />
LINC-NIRVANA ist ein Gemeinschaftsprojekt des<br />
<strong>MPIA</strong>, des MPI <strong>für</strong> Radioastronomie in Bonn, des 1.<br />
Physikalischen <strong>Institut</strong>s der Universität zu Köln und des<br />
Astronomischen Observatoriums von INAF in Arcetri,<br />
Italien. Projektleiter des Instruments ist Tom Herbst<br />
(Heidelberg). Der Einbau des Instruments am LBT ist<br />
<strong>für</strong> die zweite Jahreshälfte 2006 geplant.<br />
(T. Herbst, D. Andersen, H. Baumeister,<br />
P. Bizenberger, H. Boehnhardt, F. Briegel, S. Egner,<br />
W. Gässler, W. Laun, S. Ligori, L. Mohr, R. Ragazzoni,<br />
H.-W. Rix, R.-R. Rohloff, R. Soci, C. Storz, K. Weiss, Y.<br />
Xu)<br />
IV.6 CHEOPS – ein Instrument zur Abbildung extrasolarer Planeten. 97<br />
IV.6 CHEOPS – ein Instrument zur Abbildung extrasolarer<br />
Planeten<br />
CHEOPS (Characterizing Exoplanets by Opto-infrared<br />
Polarimetry and Spectroscopy) ist ein ehrgeiziges<br />
Projekt zur direkten Abbildung extrasolarer Jupiter-ähnlicher<br />
Planeten. Es geht dabei um Planung und Bau eines<br />
Messinstruments der zweiten Generation <strong>für</strong> einen der<br />
vier 8-m-Spiegel des Very Large Telescope der ESO, mit<br />
dem sich die Planeten in nur einer halben Bogensekunde<br />
Abstand von ihrem mindestens 18 Größenklassen helleren<br />
Zentralstern abbilden lassen.<br />
Mit CHEOPS soll die Existenz der Planeten nachgewiesen,<br />
deren Helligkeit gemessen und (im Laufe der<br />
Zeit) deren Bahn bestimmt werden. Zusätzlich wird<br />
die Polarisation des an den Planetenoberflächen gestreuten<br />
Lichtes gemessen, woraus sich Existenz und<br />
Eigenschaften von Staubteilchen ableiten lassen, die<br />
eventuell in den Planetenatmosphären vorhanden sind.<br />
Der in CHEOPS eingebaute Spektrograph wird eine<br />
Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der<br />
Atmosphären erlauben. Schließlich liefert die Kenntnis<br />
der gesamten Abstrahlung der Planeten in Verbindung<br />
mit Modellatmosphären eine Abschätzung ihrer Größe.<br />
Kennt man auch die Radialgeschwindigkeitsvariation<br />
en der Zentralsterne, so ergeben sich damit Aussagen<br />
über Masse und Dichte und den inneren Aufbau der<br />
Planeten.<br />
Das <strong>MPIA</strong> führt ein europäischen Konsortium an, das<br />
zur Zeit eine Machbarkeitsstudie zu diesem Instrument<br />
durchführt, nachdem im Jahr 2002 ein vorläufiger<br />
Antrag eingereicht wurde. Die Studienphase dauert von<br />
Mai <strong>2003</strong> bis November 2004. Danach wird die ESO entscheiden,<br />
ob die Arbeiten an dem geplanten Instrument<br />
fortgesetzt werden und welches Konsortium – ein von<br />
französischen Astronomen geleitetes Konsortium führt<br />
zur Zeit eine ähnliche Studie durch – das Projekt tatsächlich<br />
ausführen soll.<br />
Der gegenwärtige Entwurf sieht ein neues, XAO<br />
genanntes adaptives Optiksystem <strong>für</strong> das VLT vor, das<br />
auf der Rückseite seines verformbaren Spiegels etwa<br />
1500 Aktuatoren besitzt und dessen Regelschleife mit<br />
einer Frequenz von rund 2 kHz durchlaufen wird. Das<br />
Instrument soll einen Integralfeld-Spektrographen besitzen,<br />
der mit niedriger Auflösung im Wellenlängenberich<br />
zwischen 0.9 µm und 1.6 µm arbeitet, sowie ein differentielles<br />
Polarimeter namens ZIMPOL, das bei 0.8 µm<br />
arbeitet.<br />
Während die adaptive Optik XAO so konstruiert wird,<br />
dass Punktquelle mit der von einem 8-m-Teleskop erzielbaren<br />
bestmöglichen Schärfe sowie mit 90 % der theoretisch<br />
erreichbaren zentralen Spitzenintensität abgebildet<br />
werden, soll <strong>für</strong> die beiden abbildenden Instrumente,<br />
Spektrograph und Polarimeter, ein so genanntes differentielles<br />
Abbildungsverfahren verwendet werden. Diese<br />
Methode liefert die Differenz zweier Bilder, die gleich-
98 IV Instrumentelle Entwicklungen<br />
zeitig – und im Fall von ZIMPOL ebenfalls mit demselben<br />
Detektorelement – aufgenommenen werden und von<br />
denen eines das am Planeten gestreute, linear polarisierte<br />
Licht des Zentralsterns enthält, das andere nicht. Auf<br />
diese Weise soll das unvermeidbare, durch remanente<br />
Bildstörungen hervorgerufene Hintergrundrauschen abgezogen<br />
werden. Falls es damit gelingt, einen Kontrast<br />
von mindestens 18 Größenklassen über einen Abstand<br />
von einer halben Bogensekunde hinweg zu überwinden,<br />
so wird bei CHEOPS die Nachweisgrenze <strong>für</strong> die direkte<br />
Abbildung extrasolarer Planeten in Systemen des Typs<br />
Sonne–Jupiter jenseits von etwa 20 Lichtjahren liegen.<br />
Um die Chancen <strong>für</strong> den Nachweis mittels der beiden<br />
differentiellen Bilder zu optimieren, sind genaue<br />
Kenntnisse über die Eigenschaften von Planetenatmosphären<br />
nötig – sowohl von jungen und warmen als auch von<br />
voll entwickelten Planeten wie unserem Jupiter. Deshalb<br />
müssen Modellatmosphären entwickelt und deren spektrale<br />
und Polarisationseigenschaften überprüft werden.<br />
Der Nachweis eines Planeten wird folgendermaßen ablaufen<br />
(vgl. Abb. IV.15). Im Gegensatz zu ihren Zentralsternen<br />
haben Jupiter-ähnliche Planeten aufgrund der<br />
Opazitäten der Moleküle in ihren kühlen Atmosphären<br />
ein charakteristisches, mit starken Absorptionsbanden<br />
durchsetztes Spektrum; bei bestimmten Wellenlängen<br />
(den sogenannten atmosphärischen Fenstern) können<br />
sie dadurch bis zu zehnmal so hell sein wie in benachbarten<br />
Wellenlängen ; Abb. IV.15a zeigt als Beispiel das<br />
relativer Fluss<br />
a<br />
d<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
1.0 1.2 1.4 1.6<br />
Wellenlänge [µm]<br />
b<br />
e<br />
Spektrum des Jupiter-ähnlichen extrasolaren Planeten<br />
Epsilon Eridani b im Wellenlängenbereich von l = 0.8<br />
µm bis l = 1.6 µm. In einer direkten Aufnahme hebt sich<br />
der Planet nicht vom ausgeprägten Beugungsmuster des<br />
15 Millionen mal helleren Sterns ab (Abb. IV.15b). Bildet<br />
man hingegen die Differenz zweier Aufnahmen in benachbarten<br />
Wellenlängenbereichen inner- und außerhalb<br />
einer molekularen Absorptionsbande, so hebt sich das<br />
Beugungsmuster des Sterns fast perfekt weg (praktisch<br />
gleiche Helligkeit in beiden Wellenlängenbereichen),<br />
während das Bild des Planeten nur in einem der beiden<br />
Fenster auftritt und deshalb bei der Differenzbildung<br />
kaum geschwächt wird (Abb. IV.15c). CHEOPS wird<br />
nicht nur Bilder in zwei benachbarten Wellenlängen bereichen<br />
aufnehmen, sondern <strong>für</strong> jeden Punkt in der Bildebene<br />
auch ein Spektrum registrieren. Dadurch können<br />
die Nachweisempfindlichkeit noch weiter gesteigert und<br />
noch schwächere und masseärmere Planeten entdeckt<br />
werden (Abb. IV.15d). Schließlich zeigt Abb. IV.15e das<br />
simulierte Bild eines mit CHEOPS entdeckten Planeten;<br />
zur Aufnahme der Spektren wird die Bildebene in von<br />
einem Linsenraster (einem sogenannten Lenslet) in kleine<br />
Sechsecke unterteilt, wodurch die sechseckige Form<br />
der Punktbildfunktion entsteht.<br />
Die Anzahl der Sterne, bei denen mit CHEOPS nach<br />
Planeten gesucht werden kann, ist aufgrund der Beschränkungen<br />
bei den Leitsternen <strong>für</strong> die Adaptive<br />
Optik XAO auf einige Hundert begrenzt (die Leitsterne<br />
c<br />
Abb. IV.15: a) das charakteristische Spektrum<br />
des Jupiter-ähnlichen extrasolaren<br />
Planeten Epsilon Eridani b im nahen<br />
Infrarot; b) Direktaufnahme eines Sterns<br />
mit Jupiter-ähnlichem Planeten;<br />
c) Differenz zweier Aufnahmen inner-<br />
und außerhalb einer molekularen Absorptionsbande;<br />
d) das vom Integralfeld-<br />
Spektographen gelieferte Bild; e) Simulation<br />
einer mit CHEOPS durchgeführten<br />
Abbildung eines Planeten und seines<br />
Zentralsterns.
müssen hinreichend hell sein und hinreichend nahe beim<br />
zu untersuchenden Stern stehen). Andererseits wird das<br />
anspruchsvolle XAO-System seine höchste Leistung<br />
nur unter den besten, etwa in 30 Prozent aller klaren<br />
Nächte gegebenen Seeing-Bedingungen erbringen. Für<br />
die Durchmusterung nach nahen Exoplaneten wird daher<br />
eine sorgfältige Planung des Beobachtungsprogramms<br />
erforderlich sein.<br />
(M. Feldt (PI), W. Brandner, Th. Henning, S.<br />
Hippler; Astrophysikalisches <strong>Institut</strong> der Universität<br />
Jena, ThüringerLandessternwarte, Sterrewacht<br />
Leiden, Astronomisches <strong>Institut</strong> der Universität<br />
Amsterdam, Astronomisches <strong>Institut</strong> der ETH Zürich,<br />
Universität Lissabon, Dipartimento di Astrofisica e<br />
Osservatorio dellʼUniversità di Padova, Osservatorio<br />
di Capodimonte, Napoli)<br />
IV.7 SDI – eine Optik zur simultanen, differentiellen<br />
Abbildung Jupiter-ähnlicher Gasplaneten<br />
Derzeit sind etwas mehr als 100 extrasolare Planetensysteme<br />
bekannt, aber kein einziger Planet, der einen<br />
anderen Stern als die Sonne umläuft, wurde bisher direkt<br />
nachgewiesen. Dies erfordert neben einer möglichst<br />
großen Winkelauflösung eine extreme Kontrastempfindlichkeit.<br />
Höchste optische Winkelauflösung ist derzeit mit<br />
den Großteleskopen der 8-m-Klasse zu erreichen, wenn<br />
sie mit Adaptiver Optik ausgerüstet sind. Aufgrund<br />
des nicht ganz vollständig korrigierten Bildes leiden<br />
solche AO-systeme allerdings unter relativ schlechtem<br />
Kontrast (»Speckle-Rauschen«). Zwar kann man den<br />
erforderlichen Kontrast durch geschickte Wahl der<br />
untersuchten Sterne verringern: Die Eigenleuchtkraft<br />
junger (etwa 100 Millionen Jahre alter) extrasolarer<br />
Planeten im nahen Infrarot ist ca. 100 000-mal so<br />
stark wie die Eigenleuchtkraft entwickelter (etwa 5<br />
Milliarden Jahre alter) Planeten. Dagegen unterscheidet<br />
sich die Leuchtkraft ihrer Zentralsterne nur um<br />
einen Faktor 2 bis 5 im gleichen Sinne. Trotzdem erscheinen<br />
selbst Jupiter-ähnliche Planeten immer noch<br />
um mindestens 4 bis 5 Größenordnungen schwächer<br />
als der Zentralstern, zu schwach, um sie im Speckle-<br />
Rauschen erkennen zu können. Zur Unterdrückung des<br />
Speckle-Rauschens wurde kürzlich die hochauflösende<br />
Infrarotkamera CONICA am VLT, die in Verbindung mit<br />
dem AO-System NAOS beugungsbegrenzte Abbildung<br />
gestattet, mit einem differenziellen Abbildungssystem<br />
ausgerüstet:<br />
Die Atmosphären kühler (300 K < T eff < 1200 K)<br />
Brauner Zwerge und Jupiter-ähnlicher Gasplaneten<br />
(Abb. IV.16) weisen, anders als ihre Zentralsterne,<br />
jenseits von l = 1.62 µm Wellenlänge starke Methan-<br />
(CH 4 )-Absorptionsbanden auf. Nimmt man von einem<br />
IV.7 SDI – eine Optik zur simultanen, differentiellen Abbildung Jupiter-ähnlicher Gasplaneten 99<br />
Fluss [10 –15 W m –2 µm –1 ]<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
1<br />
2<br />
0<br />
1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9<br />
Wellenlänge [µm]<br />
Stern und seinem Gasplaneten ein Bild außerhalb der<br />
Methan-Absorption auf und subtrahiert davon ein in<br />
der Absorptionsbande aufgenommenes Bild, so hebt<br />
sich im Differenzbild das Bild des Zentralsterns vollständig<br />
weg, während das Bild des Planeten kaum<br />
geschwächt übrig bleibt. Allerdings verbleibt bei der<br />
Differenzbildung hintereinander aufgenommener Bilder<br />
ein starkes sogenanntes »Speckle-Rauschen«, das auf<br />
die nicht ganz vollständige Behebung des Seeing durch<br />
die Adaptive Optik zurückgeht. Aus diesem Grunde<br />
wurde CONICA mit einer Zusatzoptik versehen, welche<br />
die simultane Aufnahme beugungsbegrenzter schmal-<br />
3<br />
CH 4 Absorption<br />
Abb. IV.16: Spektrum des Braunen Zwerges G 1229B (T e =<br />
900 K, M = 25 M Jupiter ) nach Legget et al., 1999. Kühle Atmosphären<br />
(300 K < T < 1300 K) zeigen starke Methan (CH 4 )-<br />
Absorptionsbanden im nahen Infrarot. Die Lage der in SDI verwendeten<br />
Schmalbandfilter ist eingetragen.<br />
Abb. IV.17: Ergänzung der Optik von CONICA zur Beobachtung<br />
im SDI-Modus. Wesentliche Komponenten sind die beiden<br />
Wollaston-Prismen, sowie das Linsensystem und die Quadrantenfilter.
100 IV Instrumentelle Entwicklungen<br />
1575 nm<br />
Abb. IV.18: Links – Titan, Aufname bei l = 1575 nm (Filter 1);<br />
Rechts – Aufnahme bei l = 1625 nm.<br />
bandiger Bilder in drei eng benachbarten infraroten<br />
Spektralbereichen erlaubt (Abb. IV.17). Weil die einzelnen<br />
Bilder simultan aufgenommen werden, hebt sich bei<br />
der Differenzbildung auch das zeitabhängige »Speckle-<br />
Rauschen« weitgehend weg.<br />
Das in Abb. IV.18 gezeigte Bild des Saturnmondes<br />
Titan, der eine dichte methanhaltige Atmosphäre besitzt,<br />
ist ein Test zur Demonstration der Leistungsfähigkeit des<br />
Verfahrens. Es zeigt links eine SDI-Aufnahme bei 1575<br />
nm (außerhalb der CH 4 -Absorptionsbande, Filter 1 in<br />
Abb. IV.16) und rechts in kleinerem Maßstab eine SDI-<br />
Aufnahme bei 1625 nm (innerhalb der Absorptionsbande,<br />
Filter 2 in Abb. IV.16). Außerhalb der Absorptionsbanden<br />
ist die Titan-Atmosphäre durchsichtig, deshalb<br />
sind auf der Oberfläche des Saturnmondes reichhaltige<br />
Strukturen erkennbar. Die Winkelauflösung des Differenzbildes<br />
liegt bei 0.02 Bogensekunden oder ca. 200<br />
km pro Bildpunkt auf Titan. Es ist damit deutlich detailreicher<br />
als mit dem Weltraumteleskop HUBBLE gewonnene<br />
Aufnahmen Titans.<br />
(R. Lenzen, W. Brandner; L. Close, B. Bille, Steward<br />
Observatory, M. Hartung, ESO)<br />
0.1<br />
1625 nm<br />
IV.8 PACS – Ferninfrarot-Kamera und -Spektrometer<br />
<strong>für</strong> den Satelliten HERSCHEL<br />
Im Jahre 2007 wird die Europäische Weltraumagentur<br />
ESA das Weltraumobservatorium HERSCHEL und<br />
den Kosmologiesatelliten PLANCK gemeinsam auf einer<br />
ARIANE-5-Rakete in den Weltraum befördern. Das<br />
<strong>MPIA</strong> beteiligt sich wesentlich am PACS-Instrument <strong>für</strong><br />
HERSCHEL.<br />
Auf HERSCHELs dreimonatiger Reise zum Lagrange-<br />
Punkt L2, 1.5 Millionen Kilometer »hinter der Erde«<br />
in antisolarer Richtung, kühlt sich der 3.5 Meter große<br />
Hauptspiegel des HERSCHEL-Teleskops bis auf T = 70 K<br />
ab. Dieser aus mehreren Segmenten aus Silizium-Karbid<br />
gefertigte Spiegel und auch die Spiegel des Satelliten<br />
PLANCK werden zur Minimierung ihrer Eigenemission<br />
und <strong>Max</strong>imierung ihres Reflexionsvermögens <strong>für</strong> die<br />
Firma ASTRIUM in unserem Calar-Alto-Observatorium<br />
mit mehreren Schichten bedampft. Die Spiegel-Bedampfungsanlage<br />
auf dem Calar Alto gehört zu den größten<br />
und leistungsfähigsten in Europa.<br />
Der vom <strong>MPIA</strong> gemeinsam mit C. ZEISS entwickelte<br />
Fokalebenen-Chopper wurde vollständig <strong>für</strong> die Raumfahrt<br />
qualifiziert: Er überstand kalte Vibrationstests zur<br />
Simulation des Raketenstarts, er absolvierte über 650<br />
Mio. Auslenkzyklen bei T = 4 K, und er ging aus 15 Abkühlzyklen<br />
(300 K – 4 K) und Ausbackprozeduren zur<br />
Verringerung der molekularen Emissionen unbeschädigt<br />
hervor. Seine hervorragenden Eigenschaften bezüg-
lich optischer Einstellungsgenauigkeit und minimalen<br />
Energiebedarfs blieben auch nach Abschluss der harten<br />
Tests erhalten. Gemeinsam mit umfangreichen Test-,<br />
Prüf- und Produktsicherungsdokumenten wurde der<br />
Chopper im Juni als erste externe Beistellung aus dem<br />
PACS-Konsortium an das PI-<strong>Institut</strong> MPE in Garching<br />
übergeben und danach bei der Firma Kayser-Threde<br />
in in die Fokalebenen-Einheit des Qualifikationsmodells<br />
von PACS eingebaut. Ein weiteres Choppermodell<br />
wurde dem belgischen Raumfahrtzentrum in Lüttich <strong>für</strong><br />
die Weiterentwicklung der Regelprogramme der Bordelektronik<br />
nebst umfangreicher Beratung zur Verfügung<br />
gestellt.<br />
Ab Spätsommer wurde im <strong>MPIA</strong> und bei C. ZEISS<br />
mit der Komponentenfertigung <strong>für</strong> die Fokalebenen-<br />
Chopper von Flugmodell und Flug-Ersatzmodell begonnen.<br />
Alle nach dem Vorbild des PACS-Choppers gefertigten<br />
Antriebsspulen <strong>für</strong> den SPIRE-Beam-Steering-Mirror<br />
(eines weiteren HERSCHEL-Instrumente) wurden an das<br />
ATC Edinburgh geliefert.<br />
Die Eichanlage zur Charakterisierung der Ge:Ga-<br />
Photodetektorarrays im fernen Infrarot (Wellenlängen im<br />
Bereich 60 mm < l < 210 mm) wurde in Betrieb genommen.<br />
Sie erlaubt die Simulation des Strahlenbündels des<br />
HERSCHEL-Teleskops und seines niedrigen Photonenhintergrundes,<br />
sowie die Kühlung der Kamera-Ausleseelektronik<br />
auf T = 4 K und der Detektoren auf T =<br />
1.5 K. Die von der Firma ASTEQ gelieferten Detektormodule<br />
<strong>für</strong> das Qualifikationsmodell bestanden aus<br />
jeweils sechs Zeilen mit je 16 Bildelementen, die<br />
Testmodule stellen also zunächst nur jeweils 24 % der<br />
Fläche der endgültigen Kamera (25 16 Bildelemente)<br />
dar. Diese schwach gedrückten Detektoren mit einer<br />
langwelligen Grenzempfindlichkeit von l < 130 mm<br />
wurden bezüglich Dunkelstrom, Rauschen, Stromempfindlichkeit<br />
und Homogenität untersucht. Während die<br />
Stromempfindlichkeit bereits akzeptable Werte erreichte,<br />
müssen die übrigen Parameter <strong>für</strong> die Flugmodelle<br />
der Kameras noch verbessert werden.<br />
Die von der Firma IMEC gelieferten und <strong>für</strong> den<br />
Betrieb bei T = 4 K vorgesehenen Ausleseschaltungen<br />
CRE (Vorverstärker und Multiplexer) aus mehreren<br />
Fertigungsprozessen wurden warm und kalt charakterisiert.<br />
Dabei soll der leicht und stets durchführbare<br />
Warmtest möglichst Aussagen über das Verhalten der<br />
CREs im Kryovakuum erlauben. Durch umfangreiche<br />
Testberichte konnte <strong>MPIA</strong> dem Hersteller Anregungen<br />
zur Weiterentwicklung dieser wichtigen Bauelemente<br />
<strong>für</strong> die Flugmodelle geben.<br />
Für das PACS-Instrument Control Center (ICC) des<br />
HERSCHEL-Bodenobservatoriums wurden Programmpakete<br />
zur Steuerung, Eichung und Überprüfung des<br />
Instrumentes während der Mission entwickelt. Für diese<br />
Aktivitäten zeichnet das <strong>MPIA</strong> verantwortlich. Die Verfahren<br />
sollen bereits bei den Bodenkalibrierungen mit<br />
den PACS-Qualifikations- und Flugmodellen angewendet<br />
und somit erprobt werden. Begonnen hat auch die<br />
IV.8 PACS – Ferninfrarot-Kamera und -Spektrometer <strong>für</strong> den Satelliten HERSCHEL 101<br />
Abb. IV.19: Kalter Vibrationstest des Fokalebenen-Choppers <strong>für</strong><br />
PACS im Kryostaten auf dem Schütteltisch bei C. ZEISS.<br />
Abb. IV.20: Abb. IV.20: Letzte Inspektion des Fokalebenen-<br />
Choppers <strong>für</strong> PACS in der Reinraum-Kabine der Firma C. ZEISS<br />
vor der Übergabe an das <strong>MPIA</strong>/MPE-Team.<br />
Abb. IV.21: Die Ge:Ga-Detektorarrays <strong>für</strong> PACS werden in die<br />
Testkammer des <strong>MPIA</strong> installiert.
102 IV Instrumentelle Entwicklungen<br />
Entwicklung standardisierter Beobachtungsverfahren,<br />
die dem künftigen PACS-Nutzer elektronische Formulare<br />
zur Durchführung seiner Messungen anbieten wird<br />
(Astronomical Observing Templates, AOT).<br />
Das <strong>MPIA</strong> wird während der HERSCHEL-Mission 300<br />
Stunden Garantiezeit erhalten. Da<strong>für</strong> wurden mehrere<br />
Beobachtungsprojekte definiert: Sie betreffen Untersuchungen<br />
von Sternentstehungsgebieten, Quasaren, Aktive<br />
Galaxien und wechselwirkenden Galaxien. Zahlreiche<br />
der <strong>für</strong> diese Beobachtungen vorgesehenen Objekte<br />
hatten sich während der ISO-Mission als interessant erwiesen<br />
und sollen jetzt mit höherer räumlicher und spektraler<br />
Auflösung genauer studiert werden. Beim PACS<br />
Science Team Meetings wird die Definition gemeinsamer<br />
Schlüsselprojekte auch <strong>für</strong> die offene Zeit <strong>für</strong> maximalen<br />
Erkenntnisgewinn vorangetrieben.<br />
(D. Lemke, S. Birkmann, K. Eberle, U. Grözinger, M.<br />
Haas, Th. Henning, R. Hofferbert, U. Klaas, M. Stickel,<br />
R. Vavrek)<br />
Abb. IV.22: Das JWST im Lagrange-Punkt L2. Erde (mit Mond)<br />
und Sonne sind stets in gleicher Richtung zu sehen, die Erde ist<br />
1.5 Mio. km entfernt. Die viellagige Abschirmung der Sonnen-<br />
und Erdstrahlung erlaubt eine passive Abkühlung des 6.5-m-<br />
Hauptspiegels auf T = –230° C.<br />
IV.9 MIRI und NIRSPEC – Instrumente <strong>für</strong> das James<br />
Webb Space Telescope<br />
Das James Webb Space Telescope (JWST) soll im Jahre<br />
2011 als Nachfolger des legendären Weltraumteleskops<br />
HUBBLE gestartet werden. Mit seinem strahlungsgekühlten<br />
6.5-m-Spiegel wird es im nahen und mittleren<br />
Infraroten arbeiten und damit das hochrotverschobene<br />
junge Universum untersuchen können. Europa beteiligt<br />
sich u. a. an zwei Fokalebenen-Instrumenten, zu beiden<br />
trägt das <strong>MPIA</strong> mit wichtigen Komponenten bei.<br />
Das Instrument MIRI <strong>für</strong> das mittlere Infrarot<br />
(Wellenlängenbereich 5 mm < l < 28 mm) wird bei<br />
der Identifizierung der ersten Galaxien im jungen<br />
Universum eine Schlüsselrolle spielen. Der sichtbare<br />
Spektralbereich dieser nur einige hundert Millionen<br />
Jahre nach dem Urknall entstandenen Galaxien ist jetzt<br />
ins mittlere Infrarot verschoben. Bei nahen Objekten in<br />
unserem Milchstraßensystem erlaubt das hohe räumliche<br />
Auflösungsvermögen des großen Teleskops die direkte<br />
Abbildung sehr junger Sterne mit ihren Staubscheiben<br />
und wahrscheinlich sogar den darin entstandenen großen<br />
Planeten.<br />
NIRSPEC, das Spektrometer <strong>für</strong> das nahe Infrarot<br />
(0.6 mm < l < 5 mm) ermöglicht die Diagnostik der<br />
chemischen Zusammensetzung und der physikalischen<br />
Bedingungen, wie Temperatur und Druck, in den fernen<br />
Himmelskörpern. Insbesondere wird durch Messung<br />
der Rotverschiebung bestimmter Spektrallinien in den<br />
Spektren der entferntesten Supernovae deren Entfernung
Abb. IV.23: Im Spektrometer-Teil des MIRI-Instrumentes<br />
sind zwei Räder mit Gittern und dichroischen Spiegeln angeordnet.<br />
Die exakte Positionierung dieser Räder erfolgt mit<br />
Elektromechanismen des <strong>MPIA</strong>. Die Gitterräder sind von<br />
abbildenden Spiegeln, Integral Field Units zum Multiplexen<br />
von spektraler und räumlicher Information und von Detektoren<br />
umgeben. MIRI wird bei einer Temperatur von –265° C betrieben.<br />
Der Kamera- und Koronographen-Teil des Instrumentes ist<br />
hier nicht dargestellt. (MIRI European Consortium)<br />
bestimmt werden können. Supernovae haben stets die<br />
gleiche <strong>Max</strong>imalhelligkeit und sind damit die hellsten<br />
Standardkerzen im Kosmos.<br />
Beide Instrumente besitzen mehrere Filter, Spektralgitter<br />
und Prismen, von denen je nach Beobachtungsmodus<br />
jeweils eine bestimmte Kombination in den Strahlengang<br />
gebracht werden muss. Dazu werden diese optischen<br />
Elemente im Instrument auf Rädern angebracht, die mit<br />
höchster Genauigkeit und bei geringstem Energieaufwand<br />
während der angestrebten zehnjährigen Missionsdauer<br />
zuverlässig bewegt werden müssen. Diese Mechanismen<br />
werden im <strong>MPIA</strong> entwickelt. Neben den Filter- und<br />
Gitterrädern gehören dazu auch ein Schwenkspiegel<br />
zum Einblenden einer instrument-internen Eichquelle<br />
und ein Linearantrieb <strong>für</strong> die Fokussierung.<br />
Für beide Instrumente wurde mit dem Bau von Prototyp-<br />
Rädern, deren Antriebseinheit und Positionsmeßsystem<br />
begonnen. Neben den üblichen Raumfahrtanforderungen<br />
einer Infrarotmission (hohe Vibrationslasten, geringster<br />
Energieverbrauch zur Schonung der Kühlmittel, extreme<br />
Lebensdauer und Zuverlässigkeit...) kommt bei<br />
JWST der Warmstart auf einer ARIANE 5 hinzu. Die<br />
Instrumente müssen sowohl bei Laborbedingungen am<br />
Startplatz als auch im Weltraum-Vakuum bei –265° C<br />
bei allen Umgebungsbedingungen während der dreimonatigen<br />
Reise zum Lagrange Punkt L2 und während der<br />
Mission funktionieren.<br />
Das <strong>MPIA</strong> ist Mitglied des europäischen MIRI-<br />
Konsortiums, welches im Mai <strong>2003</strong> die Entwicklungs-<br />
IV.9 MIRI und NIRSPEC – Instrumente <strong>für</strong> das James Webb Space Telescope 103<br />
MIRI– EC<br />
Phase B (detailliertes Design) begonnen hat. In einem<br />
Memorandum hat das DLR gegenüber der ESA und<br />
den MIRI-Partnern aus zehn anderen Ländern die Förderung<br />
des deutschen Anteiles an MIRI zugesagt. In den<br />
beiden um die NIRSPEC-Entwicklung konkurrierenden<br />
Industriekonsortien (ASTRIUM und ALCATEL) hat das<br />
<strong>MPIA</strong> in den Studien <strong>für</strong> die Phase A + mitgewirkt und<br />
bewirbt sich in beiden Konsortien um die folgenden<br />
Phasen B/C/D. Die parallele Entwicklung ähnlicher<br />
Komponenten <strong>für</strong> MIRI und NIRSPEC bedeutet gegenseitigen<br />
Erfahrungsgewinn und Kostenminimierung. Alle<br />
Arbeiten bauen auf erfolgreichen Vorarbeiten am <strong>MPIA</strong><br />
<strong>für</strong> ISO und HERSCHEL auf.<br />
(D. Lemke, A. Böhm, U. Grözinger, R. Hofferbert,<br />
Th. Henning, A. Huber, C. Ramos, R.-R. Rohloff)<br />
Abb. IV.24: Der Prototyp eines Filterrades <strong>für</strong> NIRSPEC wird<br />
im <strong>MPIA</strong> bezüglich des Zusammenhanges von erreichbarer<br />
Positionsgenauigkeit und elektrischer Verlustleistung untersucht.
104<br />
Menschen und Ereignisse<br />
Gedenkfeier <strong>für</strong> Hans Elsässer<br />
Am 10. Juni <strong>2003</strong> verstarb der Gründungsdirektor des<br />
<strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong>s <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong> in Heidelberg. Bei<br />
einer Gedenkfeier auf dem Königstuhl erinnerten sich<br />
Kollegen und Schüler an die Leistungen dieses herausragenden<br />
Astronomen, der entscheidend dazu beigetragen<br />
hat, die <strong>Astronomie</strong> in Deutschland nach einer mehr<br />
als 50 Jahre dauernden Krise wieder an die Weltspitze<br />
heranzuführen.<br />
Das Symposium<br />
Rund hundert Gäste hatten sich am 25. November<br />
<strong>2003</strong> im großen Hörsaal des <strong>Institut</strong>s eingefunden, um<br />
gemeinsam noch einmal die wichtigsten Stationen aus<br />
dem Leben Hans Elsässers Revue passieren zu lassen.<br />
Eingeladen hatten die beiden derzeitigen Direktoren<br />
des <strong>MPIA</strong>, Thomas Henning und Hans-Walter Rix.<br />
Gekommen waren Elsässers Kinder Gisela und Albrecht,<br />
sowie Kollegen und Mitstreiter der ersten Stunde und<br />
hochrangige Vertreter der <strong>Astronomie</strong>, darunter Reimar<br />
Lüst, der ehemalige Präsident der <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-Gesellschaft<br />
und der Europäischen Weltraumorganisation ESA;<br />
von der <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-Gesellschaft weiterhin Hugo Fechtig,<br />
Peter Mezger, Joachim Trümper und Reinhard Genzel,<br />
die früheren und amtierenden Direktoren der <strong>Institut</strong>e<br />
<strong>für</strong> Kernphysik, Radioastronomie und extraterrestrische<br />
Physik, ebenso Günter Preiß, der frühere Justitiar<br />
und Leiter der <strong>Institut</strong>sbetreuung der MPG. Unter den<br />
Vertretern der Universität und der Stadt Heidelberg,<br />
der Heidelberger Akademie der Wissenschaften, anderer<br />
Universitäten und astronomischer <strong>Institut</strong>e sowie<br />
der deutschen Industrie seien hier die beiden früheren<br />
Vorsitzenden der Astronomischen Gesellschaft, Hans-<br />
Heinrich Voigt, Göttingen und Werner Pfau, Jena, außerdem<br />
Karl-Heinz Schmidt, Astrophysikalisches <strong>Institut</strong><br />
Potsdam, und Horst Skoludek, ehemaliger Vorstandsvorsitzender<br />
der Firma Carl Zeiss, Oberkochen genannt.<br />
Aus Finnland war Kalevi Mattila angereist, einer von<br />
Elsässers ersten Doktoranden, der heute Professor an der<br />
Universitätssternwarte Helsinki ist. Steve Beckwith, von<br />
1991 bis 1998 Direktor am <strong>MPIA</strong> und heute Direktor des<br />
Hubble Space Telescope Science <strong>Institut</strong>e in Baltimore,<br />
war aus den USA angereist, um an Elsässers frühe<br />
Leistungen im Bereich der Infrarotastronomie zu erinnern.<br />
Immo Appenzeller, Direktor der Heidelberger<br />
Landessternwarte, der die Geschicke des <strong>Institut</strong>s von<br />
1998 bis 2000 kommissarisch leitete, rief Elsässers<br />
Heidelberger Stationen ins Gedächtnis. Diese Gäste und<br />
mehrere Schüler und Mitarbeiter Elsässers, darunter<br />
Dietrich Lemke, Klaus Meisenheimer und Josef Solf,<br />
hielten ihre ganz persönlich gefärbten Vorträge. Auf all<br />
diesen Beiträgen basiert der hier folgende Bericht.<br />
Hans Elsässers Werdegang<br />
Der am 29. März 1929 im württembergischen Aalen<br />
geborene Hans Friedrich Elsässer nahm mit 19 Jahren<br />
in Tübingen das Studium der Physik und <strong>Astronomie</strong><br />
auf. Er promovierte im Jahre 1953 und veröffentlichte<br />
im selben Jahr zwei Arbeiten, die die Grundlage seiner<br />
Doktorarbeit bildeten. Darin befasste er sich mit der<br />
räumlichen Verteilung der Zodiakallichtmaterie und der<br />
Streuung an einem Gemisch aus dielektrischen Kugeln.<br />
Es ging ihm hierbei vor allem um das Verständnis der<br />
Verteilung und Eigenschaften der mikrometergroßen<br />
Teilchen der interplanetaren Staubwolke.<br />
In den folgenden Jahren blieb Elsässer dem Thema<br />
Zodiakallicht treu, fand aber bald zu einer neuen Aufgabe,<br />
nämlich der Struktur des Milchstraßensystems. So vermaß<br />
er mit dem Tübinger Nachthimmelsphotometer von<br />
der Boyden-Station in Südafrika aus die ganze südliche<br />
Milchstraße. Die darauf beruhende Studie war in vieler<br />
Hinsicht wegweisend: Sie bildete eine wichtige Grundlage<br />
<strong>für</strong> die optische Erforschung der Gesamtstruktur<br />
unserer Galaxis, <strong>für</strong> Detailuntersuchungen der Spiralstruktur<br />
in bestimmten Himmelsrichtungen sowie <strong>für</strong><br />
eine umfangreiche photometrische und polarimetrische<br />
Durchmusterung von hellen O- und B-Sternen in der<br />
ganzen südlichen Galaxis.<br />
Im Jahr 1962 wurde Elsässer zum Direktor der Landessternwarte<br />
Heidelberg berufen. Er erhöhte die wissenschaftliche<br />
Produktivität dieses <strong>Institut</strong>s erheblich<br />
und erweiterte dessen Forschungsprogramm um aktuelle<br />
Fragestellungen wie die nach der Struktur der Galaxis.<br />
Das <strong>MPIA</strong> und sein Calar-Alto-Observatorium<br />
Mit der Übernahme der Leitung der Landessternwarte<br />
Heidelberg ging Elsässers ganzes Bestreben dahin, den<br />
desolaten Zustand der beobachtenden <strong>Astronomie</strong> in<br />
Deutschland grundlegend zu verbessern. Beobachtungs-
gramme auf internationalem Niveau waren damals<br />
praktisch nicht möglich. Das 1-m-Teleskop in Hamburg-<br />
Bergedorf aus dem Jahr 1910 war damals das größte<br />
Teleskop in der Bundesrepublik, gefolgt von dem noch<br />
älteren 72-cm-Reflektor auf dem Königstuhl. Die entscheidende<br />
Wende brachte in dieser Situation die 1962<br />
im Auftrag der Deutschen Forschungsgemeinschaft entstandene<br />
Denkschrift »Zur Lage der <strong>Astronomie</strong>», an<br />
deren Abfassung Elsässer maßgeblichen Anteil hatte. In<br />
dieser Denkschrift wird neben weiteren Maßnahmen insbesondere<br />
»die Errichtung von nationalen Einrichtungen<br />
überregionaler Art, wie eine optische Sternwarte in günstigem<br />
Klima mit größeren Instrumenten« empfohlen.<br />
Verhandlungen mit Bundesinstanzen, die 1962 mit<br />
dem Ziel aufgenommen worden waren, ein Bundesinstitut<br />
<strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong> zu schaffen, führten aber bald auf<br />
erhebliche Schwierigkeiten. Im Mai 1964 nahm sich die<br />
<strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-Gesellschaft nach ersten Gesprächen mit<br />
ihrem Präsidenten Prof. Butenandt dieses Projektes an.<br />
1967 beschloss der Senat der MPG die Errichtung eines<br />
neuen <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong>s <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong> (<strong>MPIA</strong>),<br />
zu dessen Gründungsdirektor Elsässer berufen wurde.<br />
Anfang 1969 nahm das <strong>MPIA</strong> mit etwa zehn<br />
Mitarbeitern in Räumen der Landessternwarte und in<br />
Bürobaracken auf dem Königstuhl seine Tätigkeit auf.<br />
Nun lag eine Fülle an weit reichenden Entscheidungen<br />
und schwierigen Aufgaben in Elsässers Händen: die<br />
planerische Konzeption des <strong>Institut</strong>sneubaus auf dem<br />
Königstuhl sowie die Standortauswahl <strong>für</strong> zwei Observatorien,<br />
die jeweils auf der Nord- und Südhalbkugel<br />
vorgesehen waren. Als Standort auf der Südhalbkugel<br />
hatte man den Gamsberg in Namibia ausgewählt. Doch<br />
dieses Projekt musste später aus politischen Gründen<br />
aufgegeben werden, das <strong>für</strong> den Gamsberg vorgesehene<br />
und bereits gebaute 2.2-m-Teleskop wurde als<br />
Gastinstrument der MPG bei der ESO auf La Silla aufgestellt.<br />
Das Observatorium auf der Nordhalbkugel entstand<br />
auf dem Calar Alto in Südspanien. Von 1975 bis 1986<br />
gingen dort vier Teleskope in Betrieb, im Jahr 1988<br />
kam der projektierte Aufbau des Observatoriums zum<br />
Abschluss. Die dort geschaffene leistungsfähige Einrichtung<br />
<strong>für</strong> die deutsche astronomische Forschung ist<br />
Hans Elsässers bleibendes Vermächtnis.<br />
<strong>Astronomie</strong> vom Weltraum aus<br />
Elsässer erkannte früh die großen Chancen, die der<br />
<strong>Astronomie</strong> durch die Entwicklung der Weltraumforschung<br />
geboten wurden. Als Mitte der sechziger Jahre<br />
die breitere Förderung der extraterrestrischen Forschung<br />
in Deutschland begann, stieg Elsässer sofort ein. Im<br />
Laufe der Jahre wurden Eichstandards und neuartige<br />
Lichtquellen <strong>für</strong> immer kürzere Wellenlängen geschaffen,<br />
die bei Raketenexperimenten zur Messung des Zodiakallichtes<br />
im Ultravioletten zum Einsatz kamen.<br />
Gedenkfeier <strong>für</strong> Hans Elsässer. 105<br />
Der nächste Erfolg war eine Beteiligung an der Sonnensonde<br />
HELIOS, zu der das <strong>Institut</strong> ein Zodiakallicht-<br />
Photometer beisteuerte. In den Jahren 1974 und 1976<br />
starteten die Sonden HELIOS A und B zu einer mehrjährigen<br />
Mission, die sie mehrmals bis auf 0.3 AE an die<br />
Sonne heranführte und einzigartige Daten zur räumlichen<br />
Struktur der Zodiakallichtwolke lieferte.<br />
Noch während der Raketen- und HELIOS-Programme<br />
liefen, regte Elsässer im <strong>Institut</strong> eine weitere Entwicklung<br />
an: den Bau eines Ballonteleskops, genannt THISBE.<br />
Damit gelangen ab 1970 Messungen des Zodiakallichtes<br />
vom mittleren Ultraviolett bis ins nahe Infrarot. Zusammen<br />
mit den umfangreichen Daten von HELIOS hatte das<br />
<strong>MPIA</strong> damit Mitte der 70er Jahre eine hohe Kompetenz<br />
auf diesem Gebiet erreicht.<br />
Aber zu diesem Zeitpunkt war Elsässer mit seinen<br />
Gedanken bereits woanders: Die Sternentstehung, die<br />
er mit Beobachtungen vom Boden aus begonnen hatte,<br />
wurde zu einem neuen Arbeitsgebiet, das nach Beobachtungen<br />
im Infraroten vom Weltraum aus verlangte.<br />
So erhielt das <strong>Institut</strong> den Auftrag, ein Teleskop und<br />
ein Messinstrument <strong>für</strong> eine SPACELAB-Mission zu entwerfen.<br />
Mit mehreren anderen deutschen <strong>Institut</strong>en und<br />
der Firma MBB machte sich ein Team des <strong>MPIA</strong> an die<br />
Planung und entwickelte die ersten Prototyp-Instrumente<br />
<strong>für</strong> GIRL, das German Infra-Red Laboratory. Doch 1985<br />
brach das Bundesforschungsministerium das Projekt aus<br />
finanziellen Gründen ab.<br />
Für die Astronomen des <strong>Institut</strong>s bedeutete dieser<br />
Abbruch jedoch keineswegs das Ende. Sie waren seit<br />
langem aktiv bei der Vorbereitung des europäischen<br />
Satelliten ISO, und 1985 wurde das <strong>Institut</strong> mit der Projektleitung<br />
des Instruments ISOPHOT <strong>für</strong> diese Mission<br />
beauftragt.<br />
Der von Elsässer eingeschlagene Weg wird bis heute<br />
am <strong>MPIA</strong> fortgesetzt. Derzeit laufen Arbeit am<br />
Instrument PACS <strong>für</strong> das europäische Infrarotteleskop<br />
HERSCHEL und Arbeiten an zwei Instrumenten, MIRI<br />
und NIRSPEC, <strong>für</strong> das James Webb Space Telescope. Ein<br />
Fernziel ist die Mission DARWIN zur Suche nach erdähnlichen<br />
Planeten bei anderen Sternen.<br />
Die umfangreichen Erfahrungen beim Bau von Messinstrumenten<br />
<strong>für</strong> das Infrarot waren auch ausschlaggebend<br />
da<strong>für</strong>, dass das <strong>MPIA</strong> von der ESO den Zuschlag<br />
erhielt, eine hoch auflösende Kamera <strong>für</strong> das Very Large<br />
Telescope (VLT) zu bauen. CONICA arbeitet seit 2001<br />
in Zusammenhang mit dem adaptiv optischen System<br />
NAOS sehr erfolgreich auf dem Cerro Paranal. Auch die<br />
maßgebliche Beteiligung an der instrumentellen Ausrüstung<br />
des Large Binocular Telescope (LBT) ergab<br />
sich aus dieser Kompetenz. Jüngstes Ergebnis dieser<br />
Entwicklung ist die Infrarotkamera OMEGA 2000, die<br />
am 3.5-m-Teleskop des Calar-Alto-Observatoriums arbeitet.
106 Menschen und Ereignisse<br />
<strong>Astronomie</strong> im Infraroten – Sternentstehung und<br />
Aktive Galaxien<br />
Fragen der Sternentstehung entwickelten sich schon<br />
früh zu einem der Forschungsschwerpunkte am <strong>MPIA</strong>.<br />
Eine wegweisende Arbeit erschien im Jahre 1978. Damals<br />
beobachtete Elsässer zusammen mit einem Doktoranden<br />
junge Sterne und studierte erstmals die Polarisation<br />
Infrarotstrahlung sehr junger Sterne. Überraschender<br />
Weise zeigten viele von ihnen eine relativ starke Polarisation.<br />
Diese ließ sich auf verblüffende Weise deuten.<br />
Theoretische Überlegungen, in denen Elsässer auf seine<br />
Erfahrungen aus der Zeit der Zodiakallichtstudien zurückgreifen<br />
konnte, legten nahe, dass der Staub nicht<br />
sphärisch symmetrisch um den Zentralstern verteilt ist,<br />
sondern scheiben- oder ringförmig. In diesen Fällen erwartet<br />
man, dass Sternlicht, welches nur senkrecht zur<br />
Scheibe entweichen kann, an den weniger dicht verteilten<br />
Staubteilchen über den Polen des Systems reflektierte<br />
und dabei stark polarisiert wird.<br />
Diese Interpretation der Messdaten basierte lediglich<br />
auf der Analyse des Infrarotlichts räumlich nicht<br />
aufgelöster Quellen. Direkt beobachten ließen sich die<br />
vorhergesagten Scheiben nicht. Dies änderte sich bei der<br />
Untersuchung eines Objekts mit der Bezeichnung S 106,<br />
das über Jahre hinweg zum Paradeobjekt eines Bipolaren<br />
Nebels wurde. Bei diesem Bipolaren Nebel wurde<br />
bereits 1979 der in einer dichten äquatorialen Scheibe<br />
eingebettete Zentralstern im Infraroten nachgemessen.<br />
Damit waren grundlegende Aspekte der Sternentstehung<br />
gefunden.<br />
Ende der siebziger Jahre erweiterte Elsässer den Forschungsbereich<br />
des <strong>MPIA</strong>. Bis dahin beschränkten sich<br />
die Beobachtungen, vor allem bedingt durch die geringe<br />
Empfindlichkeit der Infrarotdetektoren und die eingeschränkte<br />
Leistungsfähigkeit der verfügbaren Teleskope,<br />
auf stellare Objekte in der Galaxis. Als auf dem Calar<br />
Alto das neue 2.2-m-Teleskop in Betrieb ging, vergab<br />
Elsässer die erste Doktorarbeit zur Untersuchung extragalaktischer<br />
Objekte.<br />
Hier spezialisierte man sich auf Himmelskörper, die<br />
im Radiobereich sehr hell waren, jedoch auf den Photoplatten<br />
des Palomar Sky Survey kein Gegenstück besaßen.<br />
Eine Reihe von Beobachtungen zeigten dann, dass<br />
es sich um so genannte BL-Lacertae-Objekte handelt<br />
– aktive Galaxien, aus deren Zentren in zwei entgegengesetzte<br />
Richtungen Jets herausschießen. Zufällig sind in<br />
diesen Fällen die Jets unmittelbar auf die Blickrichtung<br />
gerichtet. Man schaut also in den Jet hinein wie in einen<br />
Scheinwerfer.<br />
In den meisten Fällen blickt man seitlich auf die Jets,<br />
die sich im Extremfall bis zu einer Million Lichtjahre<br />
weit ins Universum ausdehnen. Die Untersuchung dieser<br />
von aktiven Galaxien und Quasaren ausgehenden<br />
Jets entwickelte sich in den achtziger Jahren zu einem<br />
der Schwerpunktthemen am <strong>Institut</strong>. In dieser Zeit wurden<br />
Beobachtungen angestellt, die dazu beitrugen, den<br />
Mechanismus zu entschlüsseln, mit dem die Teilchen<br />
im Innern der Jets bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit<br />
beschleunigt werden.<br />
Abb. V.1: Während der Gedenkfeier <strong>für</strong> Hans Elsässer.<br />
Links: Steven Beckwith, Josef Solf, Reimar Lüst, Reinhard<br />
Genzel, Hans-Walter Rix, Karl-Heinz Schmidt, Albrecht<br />
Elsässer, Immo Appenzeller, Werner Pfau, Gisela Elsässer.<br />
Rechts: Peter Mezger, Josef Solf, Hans-Heinrich Voigt, Joachim<br />
Trümper, Joachim Heitze, Ralf Bender, Thomas Henning,<br />
Eberhard Grün, Wilhelm Kegel.
Etwa parallel zu diesen Arbeiten gingen Astronomen<br />
des <strong>MPIA</strong> einem anderen neu entdeckten Phänomen<br />
nach. Auf den Bildern des Infrarotsatelliten IRAS ließen<br />
sich einige helle ausgedehnte Quellen finden, die auf<br />
den Palomar-Platten nur schwache Gegenstücke besaßen.<br />
Waren dies vielleicht sehr weit entfernte normale<br />
Galaxien? Tatsächlich handelt es sich um verhältnismäßig<br />
nahe wechselwirkende Galaxien, also Sternsysteme,<br />
die entweder nahe aneinander vorbeifliegen und dabei<br />
über die Schwerkraft wechselwirken, oder gar miteinander<br />
zusammenstoßen und sich gegenseitig durchdringen.<br />
Infrarotbeobachtungen zeigten, dass bei diesen<br />
Vorgängen der Staub im Innern der Galaxien stark<br />
verwirbelt wird, und dass dies explosionsartige Schübe<br />
der Sternentstehung auslösen kann. Beobachtungen mit<br />
dem Instrument ISOPHOT auf dem Infrarotsatelliten ISO<br />
trugen letztlich dazu bei, die Vorgänge in diesen wechselwirkenden<br />
Galaxien weitgehend zu klären.<br />
Auch wenn Elsässer bei diesen beiden Bereichen der<br />
extragalaktischen <strong>Astronomie</strong> mit seinen Vermutungen<br />
nicht immer richtig lag, hat er doch immer wieder den<br />
Anstoß zur Erschließung bedeutender neuer Forschungsgebiete<br />
gegeben. Und letztlich erwies sich doch seine<br />
Vermutung als richtig, dass einige rote Quasare bei extremen<br />
Rotverschiebungen liegen. Im Jahr 2001 wurde<br />
mit dem Sloan Digital Sky Survey ein Quasar mit einer<br />
Rekordrotverschiebung von z = 6.3 entdeckt. Er hat ähnliche<br />
Eigenschaften, wie die roten Quasare, nach denen<br />
Elsässer Anfang der achtziger Jahre gesucht hatte. Das<br />
<strong>MPIA</strong> hatte an dieser Entdeckung einen erheblichen<br />
Anteil: Zum einen ist es am Sloan Survey beteiligt,<br />
und zum anderen waren es Mitarbeiter des <strong>Institut</strong>s, die<br />
am VLT ein Spektrum aufnahmen, welches die enorme<br />
Rotver-schiebung dieses Quasars bewies.<br />
Wirken in der Öffentlichkeit<br />
Gedenkfeier <strong>für</strong> Hans Elsässer. 107<br />
Abb. V.2: Hans Elsässer neben dem »Astronomen« (1997). Diese<br />
Figur hatten die Lehrlinge der feinmechanischen <strong>Institut</strong>swerkstatt<br />
<strong>für</strong> Elsässer gebaut. (Bild: S. Kresin)<br />
Neben seinen wissenschaftlichen, organisatorischen<br />
und wissenschaftspolitischen Aktivitäten sah sich Hans<br />
Elsässer auch stets dem wissenschaftlichen Nachwuchs<br />
und der Öffentlichkeit gegenüber in der Pflicht. Seine<br />
beiden Lehrbücher über die Physik der Sterne und der<br />
Sonne sowie über Bau und Physik der Galaxis, die er<br />
zusammen mit Helmut Scheffler, seinem Kollegen von<br />
der Landessternwarte, verfasste, wurden schnell zu Standardwerken<br />
<strong>für</strong> den Unterricht an den Hochschulen.<br />
Er gründete 1961 zusammen mit Karl Schaifers die<br />
Zeitschrift Sterne und Weltraum, die sich an Fachleute,<br />
Amateure und interessierte Laien wendet. Dieses Magazin,<br />
dessen Redaktion nach wie vor am <strong>MPIA</strong> beheimatet<br />
ist, erfreut sich auch im fünften Jahrzehnt seiner Existenz<br />
eines ungebrochenen und weiter steigenden Zuspruchs.<br />
Auch hier zeigte sich Hans Elsässers Weitsicht, der die<br />
<strong>Astronomie</strong> in Deutschland sehr viel verdankt.
108 Menschen und Ereignisse<br />
Auf der Suche nach der zweiten Erde: DARWIN/TPF-Tagung in Heidelberg<br />
Vom 22. bis 25. April <strong>2003</strong> diskutierten in Heidelberg 240<br />
Astronomen aus aller Welt auf einer vom <strong>MPIA</strong> organisierten<br />
internationalen Tagung mit dem Titel »Toward<br />
other Earths: DARWIN, TPF and the Search for Extrasolar<br />
Terrestrial Planets«. Dabei ging es um die Suche und<br />
die Erforschung extrasolarer, insbesondere belebter<br />
Planeten. Das Treffen diente auch zur Definition der<br />
höchst anspruchsvollen Weltraummissionen DARWIN<br />
(ESA) und Terrestrial Planet Finder (TPF, NASA). Beide<br />
Konzepte sollen in einer gemeinsamen Mission münden,<br />
deren Startnach dem Jahr 2015 vorgesehen ist.<br />
»Die Entdeckung der ersten extrasolaren Planeten im<br />
Jahre 1995 hatte eine Explosion auf diesem Gebiet zur<br />
Folge.« Mit diesen Worten leitete Thomas Henning, der<br />
Direktor des Heidelberger <strong>MPIA</strong>, die internationale Tagung<br />
in der Heidelberger Stadthalle ein. Alle bislang entdeckten<br />
Exoplaneten sind Gasriesen und ähneln damit<br />
eher Jupiter als der Erde. Eine bedeutende Frage, über<br />
welche die Experten in Heidelberg diskutierten, lautete<br />
daher: Ist unser Sonnensystem, in dem es auch Gesteinsplaneten<br />
wie die Erde gibt, typisch im Universum oder<br />
bildet es eine seltene Ausnahme? Und gibt es auch auf<br />
anderen Planeten Leben?<br />
Leben, das auf ähnlichen Prinzipien beruht wie das<br />
irdische, benötigt flüssiges Wasser. Da<strong>für</strong> muss sich<br />
ein Gesteinsplanet so nahe an seinem Zentralstern aufhalten,<br />
dass sein Bild mit mit den bisher verfügbaren<br />
erdgebundenen Teleskopen und Detektoren von dem<br />
seines Zentralsterns nicht zu trennen ist. Im Weltraum<br />
soll es jedoch schon bald möglich sein, mit der so ge-<br />
nannten Transitmethode zahlreiche dunkle Begleiter<br />
der Sterne aufzuspüren. Hierbei nutzt man aus, dass<br />
ein vor der Sternscheibe vorbeiziehender Planet das<br />
Sternlicht um etwa ein Zehntausendstel abschwächt. Zur<br />
Zeit sind zwei Weltraumteleskope geplant, die nach der<br />
Transitmethode arbeiten werden. Als erste startet die<br />
Europäische Weltraumorganisation ESA Ende 2005 die<br />
Mission COROT, ihr folgt im Oktober 2007 das NASA-<br />
Teleskop KEPLER. Das auf der Tagung auch diskutierte<br />
europäische Teleskop EDDINGTON hat die ESA mittlerweile<br />
aus finanziellen Gründen gestrichen.<br />
Die Transitmethode führt aber nur dann zum Erfolg,<br />
wenn der Planet auf seiner Bahn zufällig von der Erde<br />
aus gesehen vor dem Stern vorbeiwandert. Statistisch<br />
tritt dies nur bei einem von zweihundert Systemen<br />
auf. Daher wird man versuchen, Planeten auch direkt<br />
abzubilden. Das entscheidende Problem ist hier der<br />
enorme Helligkeitskontrast zwischen Planet und Stern,<br />
der im sichtbaren Licht rund eins zu einer Milliarde<br />
beträgt. Zukünftige »Planetenfinder« werden deshalb im<br />
Infraroten arbeiten, wo sich das Intensitätsverhältnis auf<br />
etwa eins zu einer Million verringert.<br />
Die beste Möglichkeit des Planetenstudiums bietet<br />
die Interferometrie, deren Fähigkeit, höchste räumliche<br />
Auflösung zu erreichen, <strong>für</strong> so gut wie alle aktuellen Fragestellungen<br />
der <strong>Astronomie</strong> von höchstem Interesse ist.<br />
Dem hat man in Deutschland Rechnung getragen und<br />
Abb. V.3: Computergraphik des frei fliegendes Interferometers<br />
TPF (Bild: NASA)
Abb. V.4: Pressekonferenz auf der Tagung in Heidelberg:<br />
Links: Michel Mayor, der Entdecker des ersten Exoplaneten.<br />
Rechts: Malcolm Friedlung und Charles Beichmann, die<br />
Projektwissenschaftler der Missionen DARWIN (ESA) und TPF<br />
(NASA). (Bilder: M. Odenwald)<br />
am Heidelberger <strong>MPIA</strong> das Deutsche Zentrum <strong>für</strong><br />
Interferometrie, FRINGE (Frontiers of Interferometry<br />
in Germany) gegründet. Ziel dieser Einrichtung ist<br />
es, die Anstrengungen deutscher <strong>Institut</strong>e auf diesem<br />
Gebiet zu koordinieren. Einen ersten Erfolg konnten<br />
jüngst Astronomen des <strong>MPIA</strong> mit der erfolgreichen<br />
Inbetriebnahme von MIDI feiern (Kap. II.4). Es ist das<br />
weltweit erste Instrument, mit dem interferometrische<br />
Beobachtungen an Großteleskopen im mittleren Infrarot<br />
möglich wurden. »Wir hoffen, dass wir mit unserem<br />
Instrument heiße Gasplaneten nachweisen und deren<br />
Abstand zum Stern direkt messen können«, meint der<br />
Projektleiter Christoph Leinert vom <strong>MPIA</strong>. Ähnliche<br />
Anstrengungen unternehmen Astronomen am LBT, dem<br />
Large Binocular Telescope, das derzeit auf dem Mount<br />
Graham in Arizona entsteht. Auch hier sind Astronomen<br />
des <strong>Institut</strong>s an der Entwicklung wissenschaftlicher<br />
Instrumente beteiligt, die zur Suche nach extrasolaren<br />
Planeten eingesetzt werden sollen (Kap. IV.5).<br />
Ohne Interferometrie auskommen will ein europäisches<br />
Konsortium unter Leitung des <strong>MPIA</strong> mit einem<br />
Instrument, genannt CHEOPS (Kap. IV.6). Es soll zur<br />
zweiten Instrumentengeneration am VLT der ESO gehören.<br />
Vorgesehen ist eine Kamera mit adaptiver Optik,<br />
einer extrem hohen Abbildungsqualität und der Fähigkeit,<br />
starke Helligkeitskontraste in der unmittelbaren<br />
Umgebung heller Objekte zu bewältigen. Mit CHEOPS<br />
wollen die Astronomen einen Stern gleichzeitig in mehreren<br />
Wellenlängen und mehreren Polarisationswinkeln<br />
aufnehmen. Bildet man die Differenz dieser Bilder, so<br />
sollte sich der Stern wegheben und der Planet sichtbar<br />
werden.<br />
Einig waren sich die Astronomen in Heidelberg, dass<br />
es mit diesen Instrumenten möglich sein sollte, einige<br />
Gasplaneten nachzuweisen und zu untersuchen. Doch<br />
Auf dre Suche nach der zweiten Erde: DARWIN/TPF-Tagung in Heidelberg 109<br />
die wesentlich unscheinbareren Exoplaneten von der<br />
Größe der Erde, auf denen nach Spuren des Lebens zu<br />
suchen ist, werden damit nicht auffindbar sein. Hier<strong>für</strong><br />
wird man Weltraumteleskope benötigen.<br />
Zur Zeit diskutieren Astronomen der ESA und der<br />
NASA zwei Projekte, genannt DARWIN und Terrestrial<br />
Planet Finder (TPF). Das europäische DARWIN, an dem<br />
auch <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-Forscher arbeiten, ist ein Weltrauminterferometer.<br />
Nach derzeitigen Plänen wird es aus<br />
sechs frei fliegenden 1.5-Meter-Teleskopen bestehen,<br />
die in mehreren zehn oder hundert Metern Abstand<br />
voneinander im Formationsflug um die Sonne kreisen.<br />
Die sechs von den einzelnen Teleskopen ausgehenden<br />
Strahlenbündel werden in einem zentral fliegenden Satelliten<br />
zusammengeführt und dort phasengleich überlagert.<br />
Die NASA studiert parallel das Projekt TPF. Dies<br />
könnte ein Interferometer werden, ähnlich wie DARWIN.<br />
Parallel prüft die NASA aber auch die Möglichkeit, einen<br />
Koronographen zu bauen – ein Einzelteleskop mit einem<br />
10-Meter-Spiegel, in dem sich ein Stern mit Hilfe<br />
einer Maske so genau abdecken lässt, dass ein in seiner<br />
unmittelbaren Nähe eventuell vorhandener erdähnlicher<br />
Planet sichtbar wird.<br />
»Bis 2006 wollen ESA und NASA ihre Studien abgeschlossen<br />
haben und sich dann auf ein gemeinsames<br />
Konzept einigen«, erklärte Charles Beichman in<br />
Heidelberg vom Jet Propulsion Laboratory der NASA.<br />
Das Gerät soll dann in der Lage sein, Planeten von der<br />
Größe der Erde in der bewohnbaren Zone nachzuweisen.<br />
Darüber hinaus soll es möglich sein, die Planeten spektroskopisch<br />
zu untersuchen, um nach Atmosphären und<br />
möglichen Anzeichen <strong>für</strong> Leben, wie wir es kennen, zu<br />
suchen. Molekularer Sauerstoff oder Ozon werden als<br />
geeignete Indikatoren <strong>für</strong> das Vorhandensein von Leben<br />
angesehen.<br />
Wenn alles nach Plan verläuft, wird im Jahr 2015 die<br />
Planetensuchmaschine ins All starten und mindestens<br />
vier Jahre lang nach terrestrischen Planeten forschen.<br />
Sollten sich die Träume der Wissenschaftler erfüllen,<br />
so könnten sie in nicht allzu ferner Zukunft eine zweite<br />
Erde finden und »die Kopernikanische Revolution vollenden«,<br />
wie Thomas Henning meinte.
110 Menschen und Ereignisse<br />
MIDI-Tagung auf Schloss Ringberg<br />
Die ersten interferometrischen Messungen im mittleren<br />
Infrarot am VLT unter Einsatz des am <strong>MPIA</strong> entwickelten<br />
Instruments MIDI waren der Anlass <strong>für</strong> eine kleine<br />
Tagung auf Schloss Ringberg mit hochkarätiger internationaler<br />
Beteiligung.<br />
Zu den Juwelen der <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-Gesellschaft gehört<br />
das Anfang des letzten Jahrhunderts erbaute altertümliche<br />
Schloss Ringberg oberhalb des Tegernsees.<br />
Kaum ein Tagungsort bietet diese Abgeschlossenheit<br />
in angenehmer, anregender Umgebung mit vielfältigen<br />
Möglichkeiten zu Treffen in kleineren Gruppen und mit<br />
ausgezeichneter Betreuung und Unterstützung. Die hier<br />
gezeigten Bilder fangen einen Teil dieser Atmosphäre<br />
ein. Es ist ein idealer Ort <strong>für</strong> Arbeitstreffen, bei denen im<br />
begrenzten Kreis Erfahrungen über neue Entwicklungen<br />
eines wissenschaftlichen Gebietes zwischen den daran<br />
Beteiligten ausgetauscht und neue Pläne geschmiedet<br />
werden.<br />
Abb. V.5: Die Teilnehmer des Arbeitstreffens auf der Schlossterrasse,<br />
gruppiert um Charles Townes. (Bild: H. Zinnecker)<br />
Anfang September <strong>2003</strong> erhielten wir die Möglichkeit,<br />
auf Schloss Ringberg eine Woche lang dem Thema<br />
»Long-baseline interferometry in the mid-infrared« auf<br />
den Grund zu gehen. Diese neue Methode, bei der es<br />
darum geht, die innerste Umgebung ganz unterschiedlicher<br />
astronomischer Objekte mit hoher räumlicher<br />
Auflösung zu untersuchen, war gerade zum Jahreswechsel<br />
2002/<strong>2003</strong> aus der Taufe gehoben worden, indem<br />
zwei der vier Großteleskope des Very Large Telescope<br />
(VLT) auf Paranal in Chile zu interferometrischer<br />
Messung zusammengeschlossen wurden. Das MPI <strong>für</strong><br />
<strong>Astronomie</strong> hatte dazu das Messinstrument MIDI beigesteuert<br />
(Kap. II.4). Zum Austausch über erste Ergebnisse,<br />
Zukunftsaussichten, technische Schwierigkeiten<br />
und Möglichkeiten und neue wissenschaftliche Pläne<br />
luden wir die Fachkollegen ein, und alle kamen: Die <strong>für</strong><br />
die Interferometrie auf dem Paranal zuständigen Vertreter<br />
der europäischen Südsternwarte ESO, die am entsprechenden<br />
Projekt <strong>für</strong> die 10-m-Keck-Teleskope auf<br />
Hawaii arbeitenden Kollegen aus den USA, der auch als<br />
Mitt-Achtziger immer noch sehr aktive Nobelpreisträger<br />
Charly Townes – mit seinem Vorläufer-Instrument ISI<br />
der Pionier dieser Forschungsrichtung – die weiteren
Kollegen aus den USA, Frankreich, den Niederlanden und<br />
anderen deutschen <strong>Institut</strong>en. Das ganze Spektrum der<br />
auf diesem Gebiet Tätigen war vertreten, von Studenten<br />
und Post-Docs bis zu erfahrenen Wissenschaftlern und<br />
Direktoren. Die Vorträge waren von Aufbruchsstimmung<br />
getragen, gestützt durch vielversprechende Ergebnisse<br />
über Galaxien, junge und entwickelte Sterne. Mancher<br />
erfuhr hier erstmals konkret, welche Möglichkeiten es<br />
auf diesem Gebiet zu nutzen gilt.<br />
Erwartungsvoll richtete sich auch der Blick auf die nähere<br />
Zukunft: Wenn die hochkomplizierte Infrastruktur<br />
auf dem Paranal voll ausgebaut sein wird und die Inbetriebnahme<br />
des zweiten interferometrischen Instruments<br />
(AMBER) am Interferometer des Very Large Telescope<br />
auch den Bereich der kürzeren Infrarotwellenlängen<br />
erschließt, dann wird sich die wahre Stärke der neuen<br />
Beobachtungstechnik erweisen können.<br />
Manches, was in den kommenden Monaten an Beobachtungen,<br />
wissenschaftlichen Veröffentlichungen, instrumentellen<br />
Entwicklungen geschehen wird, wurde<br />
bei Gesprächen in kleinen Gruppen auf den richtigen<br />
Weg gebracht, sei es in der Sonne der Nachmittagspause<br />
oder später am Abend auf der Terrasse oder in einem<br />
der zahlreichen Besprechungsräume. Das zunächst locker<br />
angelegte Tagungsprogramm füllte sich wie von<br />
selbst und verlangte den vollen Einsatz der Anwesenden.<br />
MIDI-Tagung auf Schloss Ringberg 111<br />
Abb. V.6: Diskussionen in der Vortragspause (Bild: H.<br />
Zinnecker)<br />
Ein Nachmittagsausflug auf den gegenüberliegenden<br />
Walberg sorgte da <strong>für</strong> eine willkommene, erfrischende<br />
Verschnaufpause.<br />
Und was bleibt von dieser gelungenen Tagung? Zuverlässige<br />
Information, wo wir in diesem Gebiet derzeit<br />
stehen, Pläne, neue Bekanntschaften, Zusammenarbeit,<br />
und nicht zuletzt die sehr informative Sammlung der Folien<br />
der gehaltenen Vorträge auf den Internetseiten des<br />
MPI <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong>. Ein gedruckter Tagungsband mit<br />
seinen formalen Anforderungen hätte dem eher spontanen<br />
Austauschcharakter dieses Arbeitstreffens nicht<br />
entsprochen.<br />
Christoph Leinert
112 Menschen und Ereignisse<br />
Dagmar Schipanski: Hoher Besuch am <strong>Institut</strong><br />
Am 3. Februar besuchte die Thüringer Ministerin <strong>für</strong><br />
Wissenschaft, Forschung und Kunst, Prof. Dr. Dagmar<br />
Schipanski, das <strong>MPIA</strong>. Schipanski, selbst Senatorin<br />
der <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-Gesellschaft, informierte sich über<br />
die Zusammenarbeit zwischen dem Heidelberger <strong>Institut</strong>,<br />
der Friedrich-Schiller-Universität (FSU) in Jena<br />
und der Landessternwarte Tautenburg. Intensiviert<br />
wurde diese Kooperation durch Thomas Henning, den<br />
Geschäftsführenden Direktor des <strong>MPIA</strong>, der vor seinem<br />
Wechsel zum Königstuhl Direktor des Astrophysikalischen<br />
<strong>Institut</strong>s der FSU war.<br />
Drei Projekte ragen heraus in der Zusammenarbeit<br />
der <strong>Institut</strong>e. Anfang Februar <strong>2003</strong> wurde am <strong>Institut</strong><br />
<strong>für</strong> Festkörperphysik der FSU eine neue Einrichtung <strong>für</strong><br />
Laborastrophysik eingeweiht, die unter anderem durch<br />
eine Kooperation mit dem <strong>MPIA</strong> ermöglicht wurde. Hier<br />
lassen sich Experimente unter Bedingungen ausführen,<br />
wie sie im Weltraum herrschen. Die neue Einrichtung ist<br />
Bestandteil einer von der Deutschen Forschungsgemeinschaft<br />
geförderten Forschergruppe Laborastrophysik,<br />
die in Kooperation mit der Technischen Universität<br />
Chemnitz mit Laborexperimenten astrophysikalischen<br />
Fragestellungen nachgeht. Im Fokus der Forschungen<br />
steht die Entstehung von Staubteilchen im interstellaren<br />
Raum. Diese Daten ergänzen Beobachtungen und theoretisch<br />
Modelle, in denen es vor allem um die Entstehung<br />
von Planeten in den Staubscheiben junger Sterne<br />
geht. (Kap. III.2)<br />
Außerdem arbeiten das <strong>MPIA</strong> und die FSU gemeinsam<br />
an der Datenauswertung des Satelliten ISO, des<br />
europäischen Infrarotsatelliten, der von 1995 bis 1998<br />
ein Fülle von Beobachtungsdaten lieferte. Das <strong>MPIA</strong><br />
war an dieser Mission mit der Entwicklung des wissenschaftlichen<br />
Instruments ISOPHOT maßgeblich beteiligt.<br />
Schließlich beteiligt sich die Landessternwarte<br />
Tautenburg an der Software-Entwicklung <strong>für</strong> das am<br />
<strong>MPIA</strong> gebaute Interferometer MIDI, das im Berichtsjahr<br />
erste wissenschaftliche Ergebnisse lieferte. (Kap. II.4)<br />
Im Anschluss an den Besuch des <strong>MPIA</strong> sprach die<br />
Ministerin im Rahmen des Studium generale in der Aula<br />
der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg zum Thema<br />
»Bildung und Forschung <strong>für</strong> die Wissensgesellschaft«.<br />
Abb. V.7: Thomas Henning und Dietrich Lemke erläutern der<br />
Ministerin die Teleskope des Calar Alto.
Wolfgang-Paul-Preisträger Roberto Ragazzoni und die Zukunft der Adaptiven<br />
Optik<br />
Für die Jahre 2001 bis <strong>2003</strong> hat die Alexander von<br />
Humboldt-Stiftung im Rahmen des Zukunftsinvestitionsprogramms<br />
der Bundesregierung die Möglichkeit erhalten,<br />
Spitzenwissenschaftler aus dem Ausland <strong>für</strong> langfristige<br />
Aufenthalte nach Deutschland einzuladen. Für<br />
diesen Zweck verlieh sie den mit zwei Mio. Euro dotierten<br />
Wolfgang-Paul-Preis an mehrere Wissenschaftler.<br />
Einer der Preisträger aus dem Jahre 2001 war Roberto<br />
Ragazzoni von dem nahe Florenz gelegenen Astrophysikalischen<br />
Observatorium Arcetri. Mit dem Preisgeld hat<br />
er am <strong>MPIA</strong> ein Projekt gestartet, das sich mit adaptiver<br />
Optik beschäftigt.<br />
In Arcetri leitet Ragazzoni eine Arbeitsgruppe, die<br />
wissenschaftliche Instrumente <strong>für</strong> moderne Großteleskope<br />
entwickelt. Mit seiner Gruppe forscht er an der<br />
vordersten Front der Entwicklung optischer Geräte. Mit<br />
seinen Erfahrungen und Fähigkeiten fügt er sich optimal<br />
in eine Arbeitsgruppe des <strong>MPIA</strong>, die schon seit vielen<br />
Jahren sehr erfolgreich adaptive optische Systeme baut.<br />
Gemeinsam will das Team nun Instrumente entwickeln,<br />
die am VLT der ESO und am LBT in Arizona zum<br />
Einsatz kommen werden. Als Fernziel träumt die Gruppe<br />
von einer Beteiligung am zukünftigen Riesenteleskop<br />
»Overwhelmingly Large Telescope« (OWL), dessen<br />
Hauptspiegel eine Öffnung von 100 Metern haben soll,<br />
und zu dem in Kürze eine mehrjährige Detailstudie anlaufen<br />
wird.<br />
Abb. V.8: Roberto Ragazzoni während des Experiments mit PIGS<br />
im November <strong>2003</strong> am William-Herschel-Teleskop.<br />
Roberto Ragazzoni (RR) beantwortete <strong>für</strong> uns einige<br />
Fragen zu seiner Forschung in Heidelberg und anderswo.<br />
Was fasziniert Sie an der Entwicklung optischer<br />
Instrumente?<br />
RR: Ganz einfach gesagt: Es macht mir viel Spaß. Mir<br />
kommt es vor allem darauf an, Geräte zu entwickeln, mit<br />
denen wir einen großen Schritt vorankommen und technisches<br />
wie wissenschaftliches Neuland betreten.<br />
Können Sie das etwas genauer erläutern?<br />
RR: Für mich gibt es zwei Arten, Instrumente zu<br />
entwickeln. Bei der einen Art nutzt man im Wesentlichen<br />
die vorhandenen Komponenten und verbessert sie<br />
im Detail, so dass das Instrument schließlich vielleicht<br />
doppelt so gut ist wie der Vorgänger. Das interessiert<br />
mich nicht so sehr. Mich fasziniert es, Instrumente zu<br />
bauen, die gleich zehnmal besser sind und mit denen<br />
wir völlig neuartige Objekte entdecken und untersuchen<br />
können. Die großen Sprünge sind das Spannende, nicht<br />
die kleinen Schritte.<br />
In welcher Weise hat Ihnen der Wolfgang-Paul-Preis<br />
bei diesen »großen Sprüngen« geholfen?<br />
RR: Der Preis hat wie ein Katalysator gewirkt. Mit<br />
dem Geld konnten wir zum einen Hardware <strong>für</strong> unsere<br />
Projekte kaufen. Zum anderen konnte ich damit zwei<br />
Doktoranden und vier bis fünf Mitarbeiter auf Zeitstellen<br />
ans <strong>Institut</strong> holen.<br />
An welchen Projekten arbeiten Sie zur Zeit?<br />
RR: Der Schwerpunkt liegt auf dem Projekt LINK-<br />
NIRVANA, das am LBT installiert wird (Kap. IV.5).<br />
LINK ist ein Fizeau-Interferometer, in dem die Lichtbündel<br />
der beiden Primärspiegel des Teleskops phasengleich<br />
zusammengeführt werden. Damit werden wir<br />
Interferometrie über einen Wellenlängenbereich von 0.6<br />
µm bis 2.4 µm betreiben können. Kollegen am <strong>MPIA</strong><br />
planen hier<strong>für</strong> die Strahlzusammenführung. Das wahre<br />
Potenzial dieses Instruments lässt sich aber nur im<br />
Zusammenhang mit der adaptiven Optik ausschöpfen.<br />
Da<strong>für</strong> bauen wir NIRVANA (Near-IR/Visible Adap-tive<br />
Optics Interferometer for Astronomy).<br />
Und dieses Instrument bedeutet dann einen großen<br />
Sprung in der astronomischen Beobachtungstechnik?<br />
RR: Davon bin ich überzeugt. Bislang korrigieren<br />
adaptiv optische Systeme das durch Luftturbulenz verursachte<br />
Verschmieren astronomischer Aufnahmen nur<br />
in einem verhältnismäßig kleinen Feld. Mit NIRVANA<br />
wollen wir interferometrische Beobachtungen in einem<br />
113
114 Menschen und Ereignisse<br />
Areal mit sechs Bogenminuten Durchmesser ausführen.<br />
Das ist <strong>für</strong> diese Technik enorm groß.<br />
Wie wollen Sie das erreichen?<br />
RR: Mit einer neuen Technik, genannt multikonjugierte<br />
adaptive Optik (MCAO). Bei der heutigen adaptiven<br />
Optik korrigieren wir die Teleskopabbildung nur innerhalb<br />
eines bestimmten Bereichs um einen Stern herum.<br />
Bei größeren Abständen wird die Abbildung unscharf.<br />
Bei der MCAO wendet man diese Technik auf mehrere<br />
Richtungen und mehrere Referenzsterne an. Wir planen,<br />
in dem gesamten Gesichtsfeld etwa 20 Sterne gleichzeitig<br />
zu vermessen.<br />
Wie ist das technisch möglich?<br />
RR: Bevor das Licht der Teleskope in die Kamera<br />
gelangt, wird es in zwei Teilstrahlen aufgespalten. Das<br />
eine Strahlenbündel dient zur Analyse der Störungen,<br />
welche die atmosphärischen Turbulenzen erzeugen. In<br />
dieses Feld bringen wir an Stellen, wo das Bild eines<br />
Sterns entsteht, eine kleine Glaspyramide an. Fällt der<br />
Lichtstrahl genau auf ihre Spitze, so wird das Bild in<br />
vier Teilbilder aufgespalten, und eine nachgeschaltete<br />
Zoomlinse erzeugt vier Pupillenbilder auf einem Detektor.<br />
Sind diese Pupillenbilder nicht gleich hell, so<br />
lässt sich daraus die Verzerrung der in das Teleskop<br />
einfallenden Wellenfront bestimmen. Diese Informa-tion<br />
benötigen wir, um das Bild im Detektor mit Hilfe eines<br />
adaptiv-optischen Spiegels zu entzerren. Damit erzielen<br />
wir – wenn alles funktioniert – die maximal mögliche<br />
Auflösung des LBT. Und da wir an insgesamt 20 Stellen<br />
je eine Pyramide installieren, können wir das gesamte<br />
Bildfeld korrigieren.<br />
Ist dieses Prinzip ganz neu?<br />
RR: Ja. Ich habe es 1995 entwickelt. Das gesamte<br />
System nennt sich Pyramid-Wellenfrontsensor. Wir<br />
entwickeln es zur Zeit am <strong>MPIA</strong> unter dem Namen<br />
PYRAMIR (KAP. IV.3). Momentan gibt es nur einen<br />
Pyramid-Wellenfrontsensor. Er arbeitet am Telescopio<br />
Nationale Galileo auf La Palma. PYRAMIR wäre der erste<br />
Wellenfrontsensor mit einer Pyramide, der im Infrarot<br />
arbeitet, und der zweite IR-Wellenfrontsensor weltweit.<br />
Wie geht es mit dem Experiment weiter?<br />
RR: Der erste Prototyp soll Ende 2004 auf dem Calar<br />
Alto getestet werden.<br />
Sie haben kürzlich noch ein weiteres Experiment in die<br />
Wege geleitet.<br />
RR: Ja, wir nennen es Pseudo Infinite Guide Star, oder<br />
kurz PIGS. In manchen Fällen ist es nötig, einen »künstlichen<br />
Stern« am Himmel zu erzeugen, den die adaptive<br />
Optik <strong>für</strong> die Bildkorrektur nutzt. Wir schießen da<strong>für</strong><br />
einen Laserstrahl an den Himmel, und der erzeugt in der<br />
Hochatmosphäre einen leuchtenden Fleck. Das Problem<br />
dieser Laserleitsterne ist, dass sie nicht wie die wahren<br />
Abb. V.9: Bundesforschungsministerin Edelgard Bulmahn verleiht<br />
den Wolfgang-Paul-Preis an Roberto Ragazzoni. (Bild:<br />
Humboldt-Stiftung, Lüders).<br />
Sterne »unendlich« weit entfernt sind, sondern in 10 bis<br />
100 km Höhe entstehen. Der PIGS-Wellenfrontsensor<br />
betrachtet nun den Laser-Stern, als ob er – wie die Sterne<br />
– unendlich weit entfernt wäre. Dies geschieht mit Hilfe<br />
einer trickreichen optischen Anordnung. Wir haben<br />
PIGS Ende <strong>2003</strong> am William-Herschel-Teleskop auf La<br />
Palma getestet.<br />
Die Entwicklungen am <strong>MPIA</strong> und in Arcetri werden<br />
die Leistungsfähigkeit der Großteleskope, wie des VLT<br />
und des LBT, enorm steigern. Aber Sie denken schon<br />
weiter?<br />
RR: Ja. Seit einigen Jahren diskutieren Astronomen in<br />
Europa und den USA darüber, ob es sinnvoll und möglich<br />
ist, ein Teleskop zu bauen, das über einen Spiegel<br />
von 30 bis 100 Metern Durchmesser verfügt. Ein solches<br />
»Overwhelmingly Large Telescope« (OWL) ist auf die<br />
adaptive Optik angewiesen.<br />
Wie ist der Stand der Dinge beim OWL?<br />
RR: So wie es aussieht, wird die Europäische Union<br />
20 Millionen Euro <strong>für</strong> eine detaillierte Studie zur Verfügung<br />
stellen. Die Studie könnte im Jahr 2005 beginnen<br />
und drei bis vier Jahre beanspruchen. Sollte sich Europa<br />
<strong>für</strong> den Bau eines solchen Teleskops entschließen, könnte<br />
es vielleicht 2015 sein erstes Licht sehen. Das wäre<br />
wieder ein großer Sprung nach vorne!<br />
(Die Fragen stellte Thomas Bührke)
Als Azubi auf dem Königstuhl<br />
In unserer hochmodernen feinmechanischen Werkstatt<br />
entstehen in direkter Zusammenarbeit mit den beobachtenden<br />
Astronomen die wissenschaftlichen Instrumente,<br />
die an den erdgebundenen Teleskopen oder in den<br />
Forschungssatelliten zum Einsatz kommen. Hier werden<br />
auch Feinwerktechniker ausgebildet, die es später<br />
nicht schwer haben, ihren beruflichen Weg zu finden.<br />
Wir sprachen mit einem unserer Azubis.<br />
Im Berichtsjahr arbeiteten die Feinmechaniker beispielsweise<br />
an Teilen <strong>für</strong> das Interferometer am LBT<br />
und am Chopper <strong>für</strong> das Instrument PACS, das im<br />
ESA-Satelliten HERSCHEL zum Einsatz kommt (Kap.<br />
IV.8). Zur Zeit sind am <strong>Institut</strong> sieben fest angestellte<br />
Feinmechaniker und fünf Auszubildende beschäftigt.<br />
Damit kommt das <strong>Institut</strong> auch seiner gesellschaftlichen<br />
Verpflichtung nach, junge Menschen qualifiziert<br />
auszubilden und auf das Berufsleben vorzubereiten.<br />
»Bislang sind alle 42 am <strong>Institut</strong> ausgebildeten Azubis<br />
in anderen Firmen, oder auch bei uns, wenn eine Stelle<br />
frei war, untergekommen«, sagt Werkstattleiter Armin<br />
Böhm. »Und wir bekommen auch immer wieder positive<br />
Rückmeldungen von den Firmen, die von uns<br />
ausgebildete Lehrlinge übernommen haben,« ergänzt<br />
Ausbildungsleiter Wolfgang Sauer.<br />
Frank Sauer (FS) ist im dritten Lehrjahr seiner Ausbildung<br />
als Feinmechaniker, und steht damit kurz vor<br />
seiner Abschlussprüfung. Er beantwortete uns einige<br />
Fragen.<br />
Frank, das <strong>Institut</strong> liegt etwas abseits der Stadt auf<br />
einem Berg. Wie kamst Du dazu, hier eine Lehrstelle<br />
anzutreten?<br />
FS: Während der Schulzeit mussten wir ein Praktikum<br />
absolvieren, das hier angeboten wurde. Mir hat das<br />
Arbeiten an den Maschinen gleich großen Spaß gemacht,<br />
und die Atmosphäre hat mir gut gefallen.<br />
Was gefällt Dir hier, nach 2 1/2 Jahren Erfahrung, am<br />
besten?<br />
FS: Die Abwechslung hier ist <strong>für</strong> mich das Spannendste.<br />
Ich kann an verschiedenen Maschinen arbeiten, auch<br />
an ganz modernen. Die computergesteuerten Maschinen<br />
werden vorher programmiert und fräsen dann die Werkstücke<br />
automatisch aus einem Metallblock heraus.<br />
Ausserdem arbeiten wir schon im zweiten Lehrjahr wie<br />
die angestellten Kollegen voll mit. Schön finde ich auch<br />
die Zusammenarbeit in der Gruppe. Man kennt sich gut<br />
und fühlt sich fast wie in einer Familie.<br />
Seit kurzem bist Du auch Jugendvertreter der insgesamt<br />
acht Azubis am <strong>Institut</strong>. Welche Aufgaben sind<br />
damit verbunden?<br />
FS: Ich bin Ansprechpartner <strong>für</strong> die anderen Azubis,<br />
wenn die irgendwelche Probleme haben, zum Beispiel<br />
Abb. V.10: Werkstattleiter Armin Böhm (rechts) und Azubi Frank<br />
Sauer an der neuen computergesteuerten Fräsmaschine.<br />
115
116 Menschen und Ereignisse<br />
mit ihrem Chef. Dann gehe ich hin und spreche mit dem<br />
Vorgesetzten.<br />
Hast Du keine Angst, dass Du bei diesem Einsatz <strong>für</strong><br />
Andere selbst Schwierigkeiten bekomme könntest?<br />
FS: Nein, überhaupt nicht. Zum einen kommen diese<br />
Fälle sowieso kaum vor, und zum anderen bin ich<br />
gesetzlich davor geschützt, dass ich aus der Arbeit als<br />
Jugendvertreter Nachteile haben kann.<br />
Beschränkt sich die Aktivität als Jugendvertreter auf<br />
das <strong>MPIA</strong>?<br />
FS: Nein. Dreimal im Jahr treffen sich alle Jugendvertreter<br />
der <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong>e, um über ihre Erfahrungen<br />
zu reden. Das bezahlt die <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-Gesellschaft.<br />
Außerdem fahre ich ab und zu auch auf Seminare, die<br />
die Gewerkschaft Ver.di finanziert.<br />
Also lernst Du hier nebenbei auch etwas politische<br />
Arbeit?<br />
FS: Ja, so könnte man wohl sagen.<br />
Die Werkstücke, die Du herstellst, werden zum Teil in<br />
Instrumente eingebaut, die zu den besten der Welt gehören.<br />
Motiviert Dich das?<br />
Abb. V.11: Blick in die feinmechanische Werkstatt des<br />
<strong>MPIA</strong>.<br />
FS: Ja, das ist natürlich schon interessanter, als immer<br />
dasselbe Teil <strong>für</strong> Maschinen zu bauen, die zu Tausenden<br />
irgendwo laufen.<br />
Hast Du durch die Arbeit am <strong>MPIA</strong> Interesse <strong>für</strong> die<br />
<strong>Astronomie</strong> bekommen?<br />
FS: Nein. Für <strong>Astronomie</strong> habe ich mich noch nie interessiert,<br />
und das hat sich auch nicht geändert. Vor kurzem<br />
habe ich aber im Fernsehen einen Bericht über das<br />
LBT gesehen. Den habe ich mir dann ganz angeschaut,<br />
was ich sonst nicht getan hätte. Das ist <strong>für</strong> meine Arbeit<br />
aber nicht wichtig. Mir macht einfach das Arbeiten mit<br />
den Maschinen Spaß.<br />
Was möchtest Du nach Deiner Ausbildung am liebsten<br />
machen?<br />
FS: Hier am <strong>Institut</strong> bleiben.<br />
Viel Glück dabei!<br />
(die Fragen stellte Thomas Bührke)
Girl’s Day am am <strong>MPIA</strong><br />
Der 8. Mai <strong>2003</strong> war bundesweit »Girls’Day«: Tausende<br />
von Mädchen hatten Gelegenheit, die Arbeitswelt angeblicher<br />
»Männerberufe« kennen zu lernen – auch die<br />
Vielfalt der Berufe, die an unserem <strong>Institut</strong> ausgeübt<br />
werden können. Die Organisatorinnen des erlebnisreichen<br />
Tages berichten.<br />
Oft sind es singuläre Ereignisse, die unseren Berufsweg<br />
beeinflussen. Für eine von uns (A. Borch) war es<br />
im Jahr 1985 die Technologie-Ausstellung »Exhibit«<br />
in Berlin. Ein Thermotransferdrucker produzierte am<br />
laufenden Band Ausdrucke mit seltsamen Motiven.<br />
Darunter war auch eine so genannte Mandelbrot-Randmenge,<br />
die häufig auch »Apfelmännchen« genannt wird.<br />
»Dieses Bild hat mich sofort fasziniert« erinnert sie sich.<br />
»Ich musste unbedingt wissen, wie es programmiert ist,<br />
und begann mich <strong>für</strong> Rechenzeiten zu interessieren.«<br />
Heute ist sie Doktorandin am <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong> <strong>für</strong><br />
<strong>Astronomie</strong> in Heidelberg. Programmieren ist <strong>für</strong> sie<br />
eine Routinearbeit. Für die andere von uns (J. Costa)<br />
war es ein Ferien-Praktikum in einem Chemie-Labor,<br />
das sie während ihrer Schulzeit machte. »Es war ein<br />
Schlüsselerlebnis, das meine Begeisterung <strong>für</strong> das Experimentieren<br />
geweckt hat,« erinnert sie sich. Auch sie ist<br />
Doktorandin am Heidelberger <strong>Institut</strong>.<br />
Abb. V.12: Im CCD-Labor gibt es anhand anschaulicher<br />
Experimente interessantes zu entdecken. Hier erklärt Karl-<br />
Heinz Marien die Funktion.<br />
Erfahrungen wie diese haben zur Einrichtung des<br />
Girlsʼ Day geführt, einer bundesweiten Aktion, die sich<br />
an Schülerinnen der Klassen 5 bis 10 richtet und die<br />
Einblicke in die Welten »männlicher« Berufe ermöglichen<br />
soll. Neben Ausstellungen, Tagen der Offenen Tür<br />
und Betriebspraktika ist es auch damit die Absicht, das<br />
Spektrum der Berufe zu erweitern, aus denen die Schülerinnen<br />
einmal ihre Auswahl treffen werden.<br />
Gefördert wird der Girlsʼ Day von den Forschungs-<br />
und Familienministerien, der Bundesanstalt <strong>für</strong> Arbeit,<br />
dem Deutschen Gewerkschaftsbund sowie Verbänden<br />
von Industrie und Handel. Wurden im Jahr 2002 bereits<br />
42 000 Plätze angeboten, so waren es <strong>2003</strong> sogar etwa<br />
100 000 Mädchen, die in mehr als 3500 Betrieben, Forschungseinrichtungen,<br />
Hochschulen und Behörden einen<br />
Einblick in die Welt »männlicher« Berufe erhielten.<br />
Und das zu recht: Noch immer entscheiden sich 50<br />
Prozent der Mädchen <strong>für</strong> nur etwa zehn verschiedene<br />
Berufe. Sie wählen damit aus einem engeren Spektrum<br />
aus als Jungen. Noch immer sind es vor allem so genannte<br />
»klassische Frauenberufe«, während technische und<br />
naturwissenschaftliche Berufe selten gewählt werden.<br />
Und dies, obwohl sie als Schülerinnen im Durchschnitt<br />
erfolgreicher sind, als ihre männlichen Mitschüler. An<br />
der allgemeinen Hochschulreife sind Schülerinnen mit<br />
einem Anteil von 54.8 % vertreten, aber bei den Schulabgängern<br />
ohne Hauptschulabschluss stellen sie einen<br />
Anteil von lediglich 34.5 %. Hier soll der Girls' Day ansetzen,<br />
um den Mädchen Perspektiven <strong>für</strong> interessante<br />
Berufe aufzuzeigen. Im vergangenen Jahr fand er bereits<br />
zum dritten Mal statt. Zum ersten Mal beteiligte sich<br />
auch das <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong> daran.<br />
117
118 Menschen und Ereignisse<br />
Vielfältige Erfahrungen<br />
Die Mitarbeiter des <strong>Institut</strong>s ließen sich schnell von<br />
der Idee begeistern, am Girls' Day mitzumachen. Durch<br />
den großen Einsatz konnten viele verschiedene Aktionen<br />
im Vorfeld vorbereitet werden. Am 8. Mai war es<br />
dann so weit. Insgesamt 53 Schülerinnen im Alter zwischen<br />
11 und 16 Jahren lernten die Werkstätten und die<br />
technischen Abteilungen kennen, wo die Instrumente<br />
entstehen, mit denen die Heidelberger Astronomen beobachten.<br />
Bei vielen Aktivitäten durften die Mädchen selbst<br />
Hand anlegen. In den Werkstätten lernten sie, Sticker<br />
zu fräsen und Schaltkreise zusammenzulöten. In der<br />
Rechner-Abteilung konnten sie ältere Computer bis<br />
auf die Schrauben zerlegen. Einen Einblick in den Alltag<br />
eines Wissenschaftlers erhielten sie von den Doktoranden,<br />
die ihre Arbeit vorstellten und ihnen zeigten,<br />
wie unersetzlich die Computer geworden sind. Auch<br />
mit der Programmierung von Apfelmännchen konnten<br />
sie sich befassen. Die Teleskope des <strong>Institut</strong>s wurden<br />
besichtigt, Gruppenphotos mit einer CCD-Kamera gemacht,<br />
Optik-Versuche im Labor <strong>für</strong> Adaptive Optik,<br />
technisches Zeichnen in der Konstruktionsabteilung und<br />
sogar die Steuerung des 3.5-Meter-Teleskops auf dem<br />
Calar Alto (Südspanien) vom Heidelberger Computer-<br />
Terminal aus. Astronomen erzählten von ihren Beobachtungen<br />
mit dem Weltraumteleskop Hubble, von<br />
kosmologischen Surveys und Projekten zur Suche nach<br />
Transneptunischen Planeten in unserem Sonnensystem<br />
und vielem mehr.<br />
Für jede Teilnehmerin war etwas Spannendes dabei.<br />
Für ihre Mühen wurden sie mittags mit Mandeleis<br />
belohnt, das als Nachtisch schnell gefroren und – im<br />
Anschluss an eine heitere Stickstoffvorführung – restlos<br />
verspeist wurde. Zum Schluss ein wenig erschöpft,<br />
äußerten sich die Mädchen positiv über diesen Tag, an<br />
dem sie viel Neues und Interessantes entdeckten. Auch<br />
der Belegschaft unseres <strong>Institut</strong>s hat dieser Tag sehr viel<br />
Spaß gemacht.<br />
Joana Costa, Andrea Borch<br />
Abb. V.13: In der Experimentierhalle des <strong>Institut</strong>s erklärt Tom<br />
Herbst den Teilnehmerinnen anhand einfacher Experimente die<br />
Funktionsweise großer Teleskope.
Personal<br />
Heidelberg<br />
Direktoren: Henning (GF), Rix<br />
Wissenschaftliche Mitarbeiter: Andersen, Barden, Bell,<br />
Birkle (bis 30.4.), Böhnhardt, Brandner, Burkert (bis<br />
30.6.), Feldt, Fried, Gässler, Graser, Grebel (bis 31.8.),<br />
Haas (bis 30.6.), Herbst, Hippelein, Hippler, Hofferbert,<br />
Kiss (ab 1.9.), Klaas, Klahr, Kniazev, Köhler, Krasnokutski<br />
(bis 14.11.), Krause (ab 15.8.), Launhardt, Leinert, Lemke,<br />
Lenzen, Ligori, Maier (bis 31.5.), Marien, Mathar,<br />
Meisenheimer, Mundt, Odenkirchen (bis 31.8.), Pentericci<br />
(bis 14.2.), Pitz, Röser, Schmitt (1.1. bis 28.2.) Setiawan<br />
(ab 1.6.), Staude, Steinacker (ab 1.3.), Stickel, Toth,<br />
Vavrek, Weiß, Wilke (bis 30.6.), R. Wolf, Xu<br />
Doktoranden: Apai, Berton (ab 1.5.), Bertschik, Birkmann<br />
(ab15.7.), Borch, Büchler, De Matos Costa, Dib, Dirksen<br />
(1.1. bis 31.10.), Dumitrache (1.5. bis 31.7.), Eberle (1.5. bis<br />
31.10.), Egner (1.11.), Falter (ab 1.4.), Harbeck (bis 31.8.),<br />
Häring, Hartung (bis 31.5.), Häußler (ab 1.9.), Hempel,<br />
Jesseit (bis 30.4.), Kautsch (14.4. bis 31.8.), Keil, Kellner,<br />
Khochfar (bis 30.6.), Koch (27.2.bis 31.8.), Kovacs, Lamm<br />
(bis 31.10.), Mühlbauer, (bis 30.6.), Pascucci, Przygodda<br />
(bis 31.10.), Puga, Ratzka, Rodmann, Rüger (bis 15.8.)<br />
Schartmann (ab 1.12.), Schütz (ab 1.3.), Semenov (ab<br />
15.11.), Stolte (bis 31.5.), Umbreit, Walcher, Wetzstein<br />
Diplomanden und studentische Hilfskräfte: Mertin (ab<br />
1.12.), Scharlach (5.8. bis 30.9.), Stumpf (ab 1.7.), Tristram<br />
(bis 30.11.), Würtele (ab 1.10.)<br />
Diplomanden (FH): Brunner (1.3. bis 31.8.), Kinder (bis<br />
31.3.)<br />
Wissenschaftliche Dienste: Bizenberger, Grözinger,<br />
Hinrichs, Laun, Neumann, Quetz, Schmelmer<br />
Rechner, Datenverarbeitung: Briegel, Hiller, Rauh, Richter,<br />
Storz, Tremmel, Zimmermann,<br />
Elektronik: Alter, Becker, Ehret, Grimm, Klein, Mall,<br />
Mohr, Ramos (ab 1.3.), Ridinger, Salm, Unser, Wagner,<br />
Westermann, Wrhel<br />
Feinwerktechnik: Böhm, Heitz, Meister, Meixner, Morr,<br />
Pihale, Sauer<br />
Konstruktion: Baumeister, Ebert, Huber (ab 1.11.), Münch,<br />
Rohloff<br />
Fotolabor: Anders<br />
Graphikabteilung: Meißner-Dorn, Weckauf<br />
Bibliothek: A. Dueck (20.2.-19.3.), M. Dueck<br />
Verwaltung: Apfel, Gieser, Heißler, Hölscher (ab 1.2.),<br />
Kellermann, Papousado, Schleich, Voss, Zähringer<br />
Sekretariat: Bohm, Janssen-Bennynck, Koltes-Al-Zoubi,<br />
Meng (bis 31.10.), Seifert (ab 15.11.)<br />
Technischer Dienst und Kantine: Behnke, Herz, Jung,<br />
Lang, Nauß, B. Witzel, F. Witzel, Zergiebel<br />
Auszubildende: Baungärtner, Bender (bis 20.1.), Maurer,<br />
Müllerthann (ab 1.9.), Resnikschek (ab 1.9.); Rosenberger,<br />
Sauer, Schmitt (ab 1.9.), Stadler<br />
Freier Mitarbeiter: Dr. Th. Bührke<br />
Stipendiaten: Alvarez, Bailer-Jones, Bouwman (1.9.),<br />
Butler, Chesneau, Ciecielag (1.2. bis 31.10.), De Bonis<br />
(15.5. bis 31.8.), DʼOnghia (bis 31.8.), Farinato (ab<br />
15.2.), Gouliermis (ab 1.5.), Heymans (ab 22.9.), Hujeirat,<br />
Khanzadyan, Kleinheinrich, Lee (bis 15.9.), Martinez-<br />
Delgado (ab 1.12.), Masciadri, Prieto, Soci, Trujillo, Wang<br />
(ab 1.3.), Zucker (ab 1.10.)<br />
Wissenschaftliche Gäste: Acosta-Pulido, Spanien (November),<br />
Aarseth, Norwegen (November), Ábrahám, Ungarn<br />
(Juni, Juli, Oktober), Arcidiacono, Italien (April–Juli),<br />
Bacmann, Frankreich (November), Bakker, Holland (Juli),<br />
Bergin, USA (Februar), Bershady, USA (Oktober), Boeker,<br />
ESTEC/NL (Oktober), Bouy ESO (Januar, Juni, September),<br />
Bik, Holland (November), Bodenheimer, USA (März/<br />
April), Borgani, Italien (Januar), Van den Bosch, MPA Garching<br />
(Januar), Bouwmann, Holland (Januar, Juli), Bromm,<br />
USA (Juni), Brunotti, Italien (Februar), Cappellari, Leiden<br />
(November), Carmona, Linkop University (Juli), Caubillet,<br />
Arcetri (Dezember), Cho, USA (November), Correia,<br />
AIP Potsdam (November), Courteau, British Columbia<br />
(Mai), Delplancke, ESO (Januar), Diolaiti, Italien (April-<br />
Juli), Ferguson, MPG (September), Franx, Holland (September),<br />
Gawryszczak, Polen (Mai/Juni), Gallagher, USA<br />
(Juni), Garaud, Cambridge (April), Garcia-Berro, Spanien<br />
(Januar-Februar), Ghedina, Italien (Juni), Gomez-Flechoso,<br />
Spanien (Juli), Hartung, ESO-Chile (September), Hartmann,<br />
USA (Mai), Heymans, Oxford (Februar, August),<br />
Hoekstra, Toronto (Juli-August), Huelamo, ESO (April),<br />
Ida, Japan (April-Mai), Johansen, Dänemark (September),<br />
Karachentsev, Russland (Juni), Karachentseva, Ukraine<br />
(Juni), Kasper, ESO (Dezember), Kim, USA (Mai), Klein,<br />
Jena (Februar), Klessen, Potsdam (Juni), Krivov, Potsdam<br />
119
120 Personal/Arbeitsgruppen<br />
(April), Kürster, Tautenburg (November), Kroupa, Kiel (Januar),<br />
Lehnert, MPE (Dezember), Lindner, England (Juli),<br />
Linz, Tautenburg (Juni), Lin, Lick Observatory (April),<br />
Lopez-Aguerri, Spanien (Juli), Maier, ETH Zürich (Dezember),<br />
Mikkola, Finnland (November), Merritt, USA (Juni),<br />
Meyer, USA (Oktober), Marco, ESO Chile (Juli), Mac<br />
Low, USA (Juli), Martin-Hernandez, Genf (Februar-März),<br />
Menshchikov, MPIfR (Juni-Juli), Munteann, UPC Barcelona<br />
(März), Mack, Holland (Februar), Mazeh, Israel (Februar),<br />
Mikkola, Finnland (November), Ocvirk, Frankreich (Oktober),<br />
Naab, Cambridge (Februar, April, Juni-August),<br />
Osmer, USA (August), Phleps, Edinburgh (Dezember),<br />
Popowski, MPA (November), Parmentier, Belgien (Juli),<br />
Pavlyuchenko, Russland (Februar-April), Pizagno, USA<br />
(April-Mai), Plewa, USA (Juni-Juli), Powell, USA (Januar-<br />
Juni), Pramski, Russland (Oktober-November), Pustilnik,<br />
Russland (Juli-August), Rudnick, USA, (November), Raga,<br />
Mexico (Juni), Reunanen, Finnland (Juli), Ribak, Israel<br />
(Januar), Sarzi, England (August), Smith, England (Januar-<br />
Februar, September-Oktober), Shields, USA (August),<br />
Swaters, USA (Mai), Stuik, Holland (Mai), Szameit, Jena<br />
(November), Schinnerer, NRAO (November), Schreyer,<br />
Jena (Februar), Sterzik, ESO-Chile (Juli), Swaters, USA<br />
(Mai), Thomas, MPE (November), Torres, Spain (Januar-<br />
Februar), Tsevi, Israel (Februar), Verheijen, Potsdam (Mai),<br />
Vernet, Frankreich (Juni-Juli), Voshchinnikov, Russland<br />
(Mai), Walter, NRAO (November), Wasla, Japan (Juni),<br />
Wetzstein, München (Juli), Wiebe, Russland (September-<br />
November), Wiedermann, Hamburg (November), Williams,<br />
USA (Mai), Wolf, Oxford (Januar), Wolf, USA (Mai),<br />
Wünsch, Tschechien (November-Dezember), Zeilinger,<br />
Wien (Mai)<br />
Durch die regelmäßig stattfindenden internationalen Treffen<br />
und Veranstaltungen am <strong>MPIA</strong> hielten sich weitere Gäste<br />
kurzfristig am <strong>Institut</strong> auf, die hier nicht im Einzelnen<br />
aufgeführt sind.<br />
Praktikanten: Boxermann (bis 28.2.), Heß (10.3. bis 5.4.),<br />
Konya (1.9. bis 31.12.), Leledis (1.9. bis 31.12.), Naranjo<br />
(ab 1.10.), Steinmann (1.3. bis 31.8.), Urner (18.2. bis<br />
10.3.), Wiehl (25.8. bis 3.10.)<br />
Calar Alto/Almeria<br />
Lokale Leitung: Gredel, Vives ( bis 31.12.)<br />
<strong>Astronomie</strong>, Koordination: Thiele, Frahm<br />
<strong>Astronomie</strong>, Nachtassistenten: Aceituno, Aguirre, Alises,<br />
Cardiel, Guijarro, Hoyo, Pedraz<br />
Teleskoptechnik, EDV: Capel, De Guindos, García,<br />
Helmling, Henschke, Hernández L., Hernández R., Raul<br />
López, Marín, Morante, Müller, W., Nuñez, Parejo,<br />
Schachtebeck, Usero, Wilhelmi<br />
Technischer Dienst, Hausdienst: Aguila, A., Aguila,<br />
M., Ariza, Barón, Carreño, Corral, Domínguez, Gómez,<br />
Góngora, Klee, Rosario López, Márquez, Martínez, Romero,<br />
Sánchez, Tapia<br />
Verwaltung, Sekretariat: Hernández, M., Hernández, M. J.,<br />
López, M. I.<br />
Jena<br />
Lokale Leitung: Huisken<br />
Wissenschaftliche Mitarbeiter: Colder (bis 31.5.), Diegel<br />
(ab 15.8.), Rouillé, Staicu<br />
Doktoranden: Krasnokutski, Sukhorukov<br />
Wissenschaftliche Gäste: Alexandrescu, Rumänien (Januar/<br />
Februar), Dumitrache, Rumänien (Juni/Juli), Guillois,<br />
Frankreich (Juni), Marino, Frankreich (Juni), Morjan,<br />
Rumänien (Januar/Februar), Voigt, Deutschland (Juli und<br />
November)<br />
Arbeitsgruppen<br />
Abteilung Planeten- und Sternentstehung<br />
Direktor: Thomas Henning<br />
Weltraum-<strong>Astronomie</strong> im Infraroten<br />
Dietrich Lemke, Stephan Birkmann, Ulrich Grözinger,<br />
Martin Haas, Csaba Kiss, Ulrich Klaas, Stefan Mertin,<br />
Oliver Krause, Roland Vavrek, Manfred Stickel, Viktor<br />
Toth, Karsten Wilke<br />
Sternentstehung<br />
Christoph Leinert, Carlos Alvarez, Daniel Apai, Jeroen<br />
Bowman, David Butler, Markus Feldt, Rainer Köhler,<br />
Tigran Khanzadyan, Ralf Launhardt, Rainer Lenzen, Ilaria<br />
Pascucci, Elena Puga, Thorsten Ratzka, Oliver Schütz,<br />
Dmitri Semenov, Hongchi Wang<br />
Braune Zwerge, Exoplaneten<br />
Reinhard Mundt, Coryn Bailer-Jones, Wolfgang Brandner,<br />
Markus Lamm, Elena Masciadri, Jens Rodmann, Johny<br />
Setiawan<br />
Theorie<br />
Hubertus Klahr, Bernhard Keil, Jürgen Steinacker, Stefan<br />
Umbreit<br />
Laborastrophysik<br />
Friedrich Huisken, Olivier Debieu, Serge Krasnokutzki,<br />
Gaël Rouillé, Angela Staicu, Oleksandr Sukhorukov
Frontiers of Interferometry in Germany<br />
Christoph Leinert, Olivier Chesneau, Uwe Graser, Ralf<br />
Launhardt, Frank Przygodda<br />
Adaptive Optik<br />
Wolfgang Brandner, Carlos Alvarez, Joana Büchler,<br />
Alessandro Berton, David Butler, Markus Feldt, Dimitrios<br />
Gouliermis, Stefan Hippler, Elena Masciadri, Micaela<br />
Stumpf<br />
Abteilung Galaxien und Kosmologie<br />
Direktor: Hans-Walter Rix<br />
Struktur und Dynamik von Galaxien<br />
Andreas Burkert, Hans-Walter Rix, David Andersen,<br />
Michael Odenkirchen, Ignacio Trujillo, Roland Jesseit,<br />
Jakob Walcher<br />
Sternpopulationen und Sternentstehung<br />
Eva Grebel, Thomas Herbst, Alexei Kniazev, Henry Lee,<br />
David Martinez Delgado, Dan Zucker, Sami Dib, Daniel<br />
Harbeck, Andreas Koch, Andrea Stolte<br />
Zusammenarbeit mit Firmen<br />
ABB (ehem. Hartmann + Braun),<br />
Alzenau<br />
Additive, Friedrichsdorf<br />
ADR, Paris<br />
Agilent Technologies, Böblingen<br />
Almet-AMB, Mannheim<br />
Amphenol-Tuchel Electronics,<br />
Heilbronn<br />
Analyt-MTC, Mühlheim<br />
Angst+Pfister, Mörfelden<br />
APE Elektronik, Kuppenheim<br />
Arthur Henninger, Karlsruhe<br />
asknet, Karlsruhe<br />
Auer Paul GmbH, Mannheim<br />
Baier Digitaldruck, Heidelberg<br />
Barr, USA<br />
Barth, Leimen<br />
Bechtle, Heilbronn<br />
Bectronic GmbH, Derschen<br />
Best Power Technology, Erlangen<br />
Beta Layout, Arbergen<br />
Binder Magnete, Villingen-<br />
Schwenningen<br />
Blaessinger, Stuttgart<br />
Bohnenstiel, Heidelberg<br />
Böllhoff, Winnenden<br />
Börsig, Neckarsulm<br />
Bubenzer Bremsen, Kirchen-Wehrbach<br />
Bürklin, München<br />
CAB, Karlsruhe<br />
Cadillac-Plastic, Viernheim<br />
C&K Components, Neuried b.<br />
München<br />
Cancom, Frankfurt<br />
C.A.P. CNC+Coating Technik, Zell.<br />
a. H.<br />
Carl Roth, Karlsruhe<br />
Cherry Mikroschalter, Auerbach<br />
Christiani, Konstanz<br />
Coating-Plast, Schriesheim<br />
Com Pro, Stuttgart<br />
Compumess Electronik,<br />
Unterschleissheim<br />
Comtronic GmbH, Heiligkreuzsteinach<br />
Conrad Electronic, Hirschau<br />
Creaso, Gilching<br />
Cryophysics, Darmstadt<br />
Dannewitz, Linsengericht<br />
DELL, Langen<br />
Delta, Wuppertal<br />
Deltron Components GmbH, Neuried<br />
b. München<br />
DEMAG, Nördlingen<br />
Deti, Meckesheim<br />
DMG-Service, Pfronten<br />
Dürkes & Obermayer, Heidelberg<br />
Arbeitsgruppen/Zusammenarbeit mit Firmen. 121<br />
Galaxienentwicklung und Kosmologie<br />
Eric Bell, Andreas Burkert, Hans-Walter Rix, Elena<br />
DʼOnghia, Helmut Hetznecker, Catherine Heymans,<br />
Martina Kleinheinrich, Marc Barden, Sadegh Khochfar,<br />
Angela Hempel, Andrea Borch<br />
Aktive Galaxienkerne<br />
Klaus Meisenheimer, Almudena Prieto, Laura Pentericci,<br />
Ahmad Hujeirat, Nadine Häring, Marc Schartmann, Konrad<br />
Tristram<br />
Sloan Digital Sky Survey<br />
Eva Grebel, Eric Bell, Daniel Zucker, Alexei Kniazev,<br />
Laura Pentericci, Michael Odenkirchen<br />
Tiefe Durchmusterungen<br />
Klaus Meisenheimer, Hermann Röser, Hans Hippelein,<br />
Christian Maier, Zoltan Kovacs, Siegfried Falter, Boris<br />
Häußler<br />
Instrumentierung<br />
Thomas Herbst, Hermann-Josef Röser, Josef Fried, Roberto<br />
Ragazzoni, Wolfgang Gäßler, David Andersen, Roberto<br />
Soci, Sebastian Egner<br />
Dyna Systems NCH, Mörfelden-<br />
Walldorf<br />
e2v technologies, GB<br />
EBARA Pumpen, Dietzenbach<br />
EBJ, Ladenburg<br />
EBV-Electronik, Leonberg<br />
EC Motion, Mönchengladbach<br />
Edsyn Europa, Kreuzwertheim<br />
EFH, Neidenstein<br />
Eldon, Büttelborn<br />
Elna Transformatoren, Sandhausen<br />
elspec, Geretsried<br />
ELV Electronik, Leer<br />
ERNI, Adelberg<br />
eurodis Enatechnik, Quickborn<br />
EWF, Eppingen<br />
Faber, Mannheim<br />
Fairchild Imaging Syst., USA<br />
Farben Specht, Bammental<br />
Farnell Electronic Components,<br />
Deisenhofen<br />
Farnell Electronic Services,<br />
Möglingen<br />
FCT Electronic, München<br />
Fels Spedition, Heidelberg<br />
Fisba, St. Gallen<br />
Fischer Elektronik, Lüdenscheid<br />
Flash Computer, Guentersleben
122 Zusammenarbeit mit Firmen<br />
FPS-Werkzeugmaschinen GmbH,<br />
Otterfing<br />
Franke, Aalen<br />
Fritz Faulhaber, Schönaich<br />
FPS-Werkzeugmaschinen GmbH,<br />
Otterfing<br />
Franke, Aalen<br />
Fritz Faulhaber, Schönaich<br />
Future Electronics Deutschland,<br />
Unterföhring<br />
Ganter, Walldorf<br />
Geier Metalle, Mannheim<br />
GENOMA Normteile, Hameln<br />
GLT, Pforzheim<br />
Gordion, Troisdorf<br />
Gould Nicolet Meßtechnik,<br />
Dietzenbach<br />
Grandpair, Heidelberg<br />
Grulms-Pneumatik, Grünstadt<br />
GRW, Würzburg<br />
Gummi Körner, Eppelheim<br />
Gummi-Plast Schild, Gernsheim<br />
Gutekunst, Pfalzgrafenweiler<br />
Halm+Kolb, Stuttgart<br />
Heidenhain, Traunreut<br />
Heraeus, Hanau<br />
Hilger und Kern, Mannheim<br />
Hilma-Römheld GmbH, Hilchenbach<br />
Helukabel, Hemmingen<br />
Hema, Mannheim<br />
Herz, Leister Geräte, Neuwied<br />
Hewlett-Packard Direkt, Böblingen<br />
Hinkel Elektronik, Pirmasens-Winzeln<br />
HM Industrieservice, Waghäusel<br />
Hommel-Hercules Werkzeughandel,<br />
Viernheim<br />
Hormuth, Heidelberg<br />
Horst Göbel, Ludwigshafen<br />
Horst Pfau, Mannheim<br />
HOT Electronic, Taufkirchen<br />
HTF Elektro, Mannheim<br />
Huber + Suhner, Taufkirchen<br />
Hummer+Rieß, Nürnberg<br />
Häcker, Weinsberg<br />
Häfele Leiterplattentechnik,<br />
Schrießheim<br />
IBF Mikroelektronik, Oldenburg<br />
Infrared Labs, Tucson, USA<br />
Ingenieurbüro Steinbach, Jena<br />
Inkos, Reute/Breisgau<br />
INMAC, Mainz<br />
iSystem, Dachau<br />
ITOS GmbH. Mainz<br />
Jacobi Eloxal, Altlussheim<br />
Janos, USA<br />
Jarmyn, Limburg<br />
Joisten+Kettenbaum, Bergisch Gl.<br />
Kaufmann, Crailsheim<br />
Kerb-Konus-Vertriebs-GmbH, Amberg<br />
Kippdata, Bonn<br />
Kniel, Karlsruhe<br />
Knürr, München<br />
Korth, Hamburg<br />
Lambda Electronics, Achern<br />
Layher, Güglingen<br />
Lemo Electronik, München<br />
Leybold Vakuum GmbH, Köln<br />
Lineartechnik Korb, Korb<br />
Loedige, Paderborn<br />
LPKF CAD/CAM Systeme, Garbsen<br />
Macrotron, München<br />
Mädler, Stuttgart<br />
Mankiewicz, Hamburg<br />
Matsuo Electronics Europe, Eschborn<br />
Matsushita Automation, Holzkirchen<br />
<strong>Max</strong>im Ges. f. elektronische integrierte<br />
Bausteine, Planegg<br />
Menges electronic, Dortmund<br />
Mentor, Erkrath<br />
Metrofunkkabel-Union, Berlin<br />
Micro-Optronic-Messtechnik,<br />
Langebrück<br />
Mitsubishi-Electric, Weiterstadt<br />
Mizzi, Brühl<br />
Mönninghoff, Bochum<br />
Moxa, Laudenbach<br />
MSC Vertriebs-GmbH, Stutensee<br />
MTI, Baden-Baden<br />
Munz, Lohmar<br />
Nanotec, Finsing<br />
Neust Schaltungselektronik,<br />
Ehringshausen - Katzenfurt<br />
Newport, Darmstadt<br />
Nickel Schalt- und Meßgeräte,<br />
Villingen-Schwenningen<br />
Niedergesess, Sandhausen<br />
Nies Electronic, Frankfurt<br />
Noor, Viernheim<br />
Nova Electronik, Pulheim<br />
Oberhausen, Ketsch<br />
Otto Faber, Mannheim<br />
Otto Ganter, Furtwangen<br />
OWIS GmbH, Staufen<br />
Parametric Technology, München<br />
Parcom, CH-Flurlingen<br />
pbe Electronic, Elmshorn<br />
Peltron GmbH, Fürth<br />
Pfeiffer, Mannheim<br />
Pfeiffer Vacuum GmbH, 5614 Asslar<br />
Physik Instrumente, Waldbronn<br />
Phytec Meßtechnik, Mainz<br />
Phytron, Gröbenzell<br />
Plastipol, Runkel<br />
PROUT, Darmstadt<br />
ProLogic, Wuppertal<br />
PTC, Mannheim<br />
PSI Tronix, Tulare, California, USA<br />
Püschel Electronik, Mannheim<br />
R.E.D. Regional-Electronic-<br />
Distribution, Rodgau-Jügesheim<br />
Radiall, Rödermark<br />
RALA, Ludwigshafen<br />
Rau-Messtechnik, Kelkheim<br />
Räder Gangl, München<br />
Reeg, Wiesloch<br />
Reinhold Halbeck, Offenhausen<br />
Reith, Mannheim<br />
Retronic, Ronneburg<br />
Rexim, Maulbronn<br />
Riekert & Sprenger, Wertheim<br />
Rittal-Werk, Herborn<br />
Rockwell, USA<br />
Roland Häfele Leiterplattentechnik,<br />
Schriesheim<br />
Roth, Karlsruhe<br />
RS Components, Mörfelden-Walldorf<br />
RSP-GmbH, Mannheim<br />
Rudolf, Heidelberg<br />
Rütgers, Mannheim<br />
Rufenach Vertriebs-GmbH, Heidelberg<br />
Sartorius, Ratingen<br />
Sasco, Putzbrunn<br />
Scantec, Planegg<br />
Schaffner Elektronik, Karlsruhe<br />
Schott Mainz<br />
Schulz, München<br />
Schuricht, Bremen<br />
Schuricht, Fellbach-Schmiden<br />
Schweizer Elektroisolierungsstoffe,<br />
Mannheim<br />
Scientific Computers, Aachen<br />
SCT Servo Control Technology,<br />
Taunusstein<br />
SE Spezial-Electronic, Bückeburg<br />
Seifert mtm Systems, Ennepetal<br />
Siemens IC-Center, Mannheim<br />
Spaeter, Viernheim<br />
Spindler & Hoyer, Göttingen<br />
Spoerle Electronic, Dreieich<br />
Steward Observatory, USA<br />
Straschu Leiterplatten, Oldenburg<br />
SUCO-Scheuffele, Bietigheim-<br />
Bissingen<br />
Swiss Optik, Schweiz<br />
Synatron, Hallbergmoos<br />
Tafelmeier, Rosenheim<br />
Tandler, Brauen<br />
THK, Düsseldorf<br />
Thorlabs, Gruüberg<br />
TMS Test- und Messsysteme,<br />
Herxheim/Hayna
Tower Electronic Components,<br />
Schriesheim<br />
Transtec, Tübingen Rutronik, Ispringen<br />
TreNew Electronic, Pforzheim<br />
TS-Optoelectronic, München<br />
TWK-Elektronik, Karlsruhe<br />
Lehrveranstaltungen<br />
Veranstaltete Tagungen<br />
Vacuumschmelze, Hanau<br />
VBE Baustoff+Eisen, Heidelberg<br />
Vero Electronics, Bremen<br />
VisionEngineering, Emmering<br />
Vision Systems, Norderstedt<br />
W. & W. Schenk, Maulbronn<br />
Wintersemester 2002/<strong>2003</strong><br />
Bönhardt, H.: Das Sonnensystem, Univ. Erlangen-<br />
Nürnberg (Block-Kurs)<br />
Burkert, A., Rix, H.-W.: Struktur, Kinematik und Dynaik<br />
von Sternsystemen (Oberseminar, mit B. Fuchs, A. Just,<br />
R. Spurzem, R. Wielen)<br />
Lemke, D., Röser, H.-J.: Einführung in die <strong>Astronomie</strong><br />
und Astrophysik, III (Seminar, mit J. Krautter)<br />
Meisenheimer, K.: Particle Acceleration and Radiation<br />
Processes in Radio Galaxies (Oberseminar, mit J.G.<br />
Kirk, S. Wagner)<br />
Sommersemester <strong>2003</strong><br />
Bönhardt, H.: Das Sonnensystem, Univ. Erlangen-Nürnberg<br />
(Block-Kurs); The Rio de Janeiro Astronomy Winter<br />
School, Nat. Obs. Rio de Janeiro (Block-Kurs)<br />
Burkert, A., Rix, H.-W.: Stellardynamik (Oberseminar, mit<br />
B. Fuchs, A. Just, R. Spurzem, R. Wielen)<br />
Fried, J.: Galaxien (Vorlesung, mit B. Fuchs)<br />
Henning, Th.: Sternentstehung (Vorlesung)<br />
Meisenheimer, K.: Gruppenarbeit Physik II<br />
Haas, M., Lemke, D., Leinert, Ch., Mundt, R., Röser, H.-<br />
J.: Einführung in die <strong>Astronomie</strong> und Astrophysik III<br />
(Seminar)<br />
Tagungen, Vorträge<br />
Vom <strong>Institut</strong> veranstaltete Tagungen<br />
Treffen der Initiative »Baden-Württemberg – Zentrum <strong>für</strong><br />
Adaptive Optik« am <strong>MPIA</strong>, 2. April (S. Hippler)<br />
Konferenz »Toward other Earths – DARWIN/TPF and the<br />
search for extrasolar terrestrial planets«, Konferenzzentrum<br />
Heidelberg, 22.-25. April (R. Launhardt), D. Apai,<br />
H. Boehnhardt, Th. Henning, I. Pascucci)<br />
Calar Alto Colloquium, Heidelberg, 28.–29. April<br />
GEMS Workshop, Mai <strong>2003</strong>, <strong>MPIA</strong> (E. Bell)<br />
Ringberg Workshop on long baseline interferometry in the<br />
mid-infrared, 1.-5. September (U. Graser, C. Leinert, T.<br />
Ratzka)<br />
Zusammenarbeit mit Firmen/Lehrveranstaltungen/Tagungen, Vortträge 123<br />
WIKA, Klingenberg<br />
Wikotec, Bramsche<br />
Wilhelm Gassert, Schriesheim<br />
Winlight, Frankreich<br />
Witter GmbH, Heidelberg<br />
WS CAD Electronik, Berk Kirchen<br />
Wintersemester 2002/<strong>2003</strong><br />
Henning, Th.: Physik der Sternentstehung (Oberseminar)<br />
Leinert, Ch., Lemke, D.: Einführung in die <strong>Astronomie</strong> und<br />
Astrophysik, III (Seminar, mit H.-P. Gail)<br />
Meisenheimer, K.: Hoch-rotverschobene Radiogalaxien<br />
(Oberseminar, mit J.G. Kirk, S. Wagner)<br />
Rix, H.-W.: Observing the Big Bang and its Aftermath<br />
(Vorlesung)<br />
Rix, H.-W.: Struktur, Kinematik und Dynamik von<br />
Sternsystemen (Oberseminar, mit B. Fuchs, A. Just,<br />
R. Spurzem und R. Wielen)<br />
Röser, H.-J.: Galaxienhaufen (Vorlesung)<br />
Fortgeschrittenenpraktikum: Für Studenten der Physik- und<br />
<strong>Astronomie</strong> wird während des Semesters ein Versuch<br />
zur »Adaptiven Optik« angeboten. Innerhalb von vier<br />
Nachmittagen kann ein Analysator zur Untersuchung<br />
der Verformung von Lichtwellen aufgebaut und optische<br />
Aberrationen wie Koma und Astigmatismus bestimmt<br />
werden. Der Versuch findet im Labor <strong>für</strong> »Adaptive<br />
Optik« am <strong>MPIA</strong> statt. (Verantwortlich: Stefan Hippler,<br />
Wolfgang Brandner; Betreuer: Stephan Kellner, Oliver<br />
Schütz, Alessandro Berton). Ein zweiter Versuch trägt<br />
den Namen »CCD-Kamera«<br />
Treffen des »EU research and training network for adaptive<br />
optics for extremely large telescopes«, <strong>MPIA</strong>, 16.–17.<br />
Oktober (S. Hippler)<br />
Treffen der Forschungsgruppe »Laborastrophysik«, <strong>MPIA</strong>,<br />
21. November (J. Steinacker)<br />
Andere veranstaltete Tagungen<br />
Bönhardt, H.: First decadal review of the Edgeworth-<br />
Kuiper-Belt – towards new frontiers, international ESO-<br />
UCN workshop, Antofagasta, March 11-15 (SOC chair);<br />
Synergies from widefield imaging surveys, JENAM,<br />
Budapest, August 25-29 (SOC); The new ROSETTA targets,<br />
ESA science workshop, Capri, October 13-16 (SOC);
124 Tagungen, Vorträge<br />
Brandner, W.: ESO workshop on science with adaptive optics,<br />
Garching, September (Co-chair and LOC)<br />
Feldt, M.: CHEOPS kick-off meeting, Padua, 3.-4. Februar;<br />
CHEOPS progress meeting, Zürich, 6-7 Oktober<br />
Gässler, W.: AO Mini-school, München, 19-23. Februar<br />
Haas, M.: »Evolution of quasars«, AG-Tagung, Splinter<br />
Meeting, Freiburg, 15. – 19. September<br />
Henning, Th.: SOC-Mitglied bei »Astrophysics of dust«,<br />
Estes Park, USA; IAU –Symposium »Star formation<br />
at high angular resolution«, Sydney, Australien;<br />
AO-Meeting »Science with adaptive optics«, Garching,<br />
September; IRAM Meeting, Star Formation, Grenoble,<br />
Frankreich, Dezember (Chairman)<br />
Hippler, S.: Mini-school »Multi-conjugate adaptive optics<br />
for extremely large telescopes«, ESO-Garching, 19-21.<br />
Februar<br />
Teilnahme an Tagungen, wissenschaftliche und öffentliche Vorträge<br />
Wissenschaftliche Vorträge<br />
Apai, D.: Towards other Earths: DARWIN, TPF and the search<br />
for extrasolar terrestrial planets, April 22-25, Heidelberg<br />
(Poster); IAU Symp. 221: Star formation at high angular<br />
resolution, 22-25. Juli, Sydney (Poster)<br />
Bailer-Jones, C.: GAIA photometry working group meeting,<br />
<strong>MPIA</strong>, 10.–11. März (Vortrag); GAIA science team meeting<br />
no. 7, ARI, Heidelberg, 12.–13. März; Universität<br />
Heidelberg, Juli (eingeladener Vortrag); Meeting of the<br />
American Astronomical Society, Nashville, USA, 25.–29.<br />
Mai (Poster); GAIA Data Processing Meeting, Barcelona,<br />
April (Voprtrag); GAIA Science Team Meeting no. 8,<br />
ESTEC, 25.–26. Juni; GAIA Science Team meeting no. 9,<br />
ESTEC, 7.-–8. Oktober; GAIA photometry working group<br />
meeting, Leiden, 9.–10. Oktober (Vortrag)<br />
Bell, E.: The baryonic Universe, Aspen USA, Januar (Vortrag);<br />
Spectroscopic and imaging surveys in cosmology workshop,<br />
Oxford, März (Vortrag); The multi-wavelength<br />
Universe, Venedig, Oktober (Vortrag); Spectroscopic<br />
and imaging surveys in cosmology workshop, Neapel,<br />
September (Vortrag)<br />
Berton A.: General meeting of the CHEOPS project group,<br />
Zurich, 6.–7. Oktober; Informal meeting of the CHEOPS<br />
project group, Padua, 4. Dezember (Vortrag)<br />
Boenhardt, H.: »First Decadal review of the Edgeworth-<br />
Kuiper-Belt – Towards New Frontiers«, International<br />
ESO-UCN workshop, Antofagasta, 11.–15. März (eingeladener<br />
Vortrag); »The ESO large programs«, ESO workshop,<br />
Garching, 19.–21. Mai (eingeladener Vortrag); ESA<br />
science workshop »The new ROSETTA targets«, Capri,<br />
13.–16. Oktober (eingeladener Vortrag); Physikalisches<br />
Kolloquium, Universität Braunschweig, 24 Juni (eingeladener<br />
Vortrag); MPI <strong>für</strong> Aeronomie Katlenburg-Lindau, 25<br />
Juni (eingeladener Vortrag), Physikalisches Kolloquium,<br />
Martinez-Delgado, D.: »Satellites and tidal streams«, INGIAC<br />
Joint conference, 26-30 Mai, La Palma (Spanien)<br />
Meisenheimer, K.: Formation and early evolution of galaxies,<br />
SFB 439 Workshop, Kloster Irsee, 30. Juni - 4. Juli<br />
(mit S. Phleps)<br />
Ragazzoni, R.: National school of astrophysic Isola dʻElba,<br />
I telescopi di nuova generazione 11.-17 Mai, »LBT und<br />
VLT/VLTI«; Mini school in Munich; RTN workshop<br />
La Palma; 2nd Baeckaskog workshop on exteremely<br />
large telescopes, Baeckaskog Castle, Sweden, 9.–11.<br />
September (SOC Chair)<br />
Steinacker, J.: Splinter meeting »Interferometry with large<br />
telescopes«, Jahrestagung der AG, Freiburg i. Br. 15.–20.<br />
September<br />
Umbreit, St.: N-body events, mini workshop, Heidelberg,<br />
25.– 28. November (mit R. Spurzem)<br />
Universität Erlangen-Nürnberg, 3. Novem-ber (eingeladener<br />
Vortrag)<br />
Brandner, W.: Das Sonnensystem und extrasolare Planeten,<br />
Weimar, Februar (Vortrag); Towards other Earths:<br />
DARWIN, TPF and the search for extrasolar terrestrial<br />
planets, Heidelberg, 22.–25. April, (Vortrag); IAU Symp.<br />
221: »Star formation at high angular resolution«, Sydney,<br />
Juli (eingeladener Vortrag); CHEOPS Meetings, Zürich,<br />
Oktober (eingeladener Vortrag); Astronomical colloquium<br />
at the University of Florida at Gainesville, November<br />
(eingeladener Vortrag)<br />
Butler, D.: Stellar populations, MPA, Garching, 6.–11.<br />
Oktober (Poster); Science with »Adaptive Optics«, ESO<br />
Workshop, Garching16-19 September (Vortrag)<br />
Chesneau, O.: JEMAN Mini-symposium on young stars,<br />
August (eingeladener Vortrag)<br />
Feldt, M.: Towards other Earths: DARWIN, TPF and the<br />
search for extrasolar terrestrial planets, (eingeladener<br />
Vortrag); IAU Syposium 221, Sydney, 22-25 Juli (eingeladener<br />
Vortrag); Extrasolar planets: today and tomorrow,<br />
Paris, 30.6.–4.7. (Poster)<br />
Gässler, W.: 2nd Baeckaskog workshop on extremely large<br />
telescopes, Baeckaskog Castle, Sweden, 9.–11. September<br />
(Vortrag); ESO Workshop on Science with AO, München.<br />
16.–17. September (Poster)<br />
Gouliermis, D.: ESO workshop »Science with adaptive<br />
optics«, Garching, 16.–19. September (Poster); RTN<br />
meeting »Adaptive optics for extremely large telescopes«,<br />
16.–17. Oktober, Heidelberg (Vortrag)<br />
Graser, U.: Ringberg workshop on long-baseline interferometry<br />
in the mid infrared, 1.–5. September (eingeladener<br />
Vortrag)<br />
Grebel, E.: Fourth Carnegie centennial symposium on origin<br />
and evolution of the elements, Pasadena, 16.–21. Februar<br />
(eingeladener Vortrag); Calar Alto Colloquium, Heidelberg,
28.–29. April (eingeladener Vortrag); Kolloquium der ETH<br />
Zürich, 29. April (eingeladener Vortrag); ING-IAC Joint<br />
conference, Santa Cruz de la Palma, 26.–30. Mai (eingeladener<br />
Vortrag); 2nd AIP Thinkshop »The Local Group<br />
as a cosmological training sample«, Potsdam, 12.–15. Juni<br />
(eingeladener Vortrag); Workshop on the formation and<br />
evolution of massive young star clusters, Cancun, Mexico,<br />
17.– 21. November (eingeladener Vortrag)<br />
Gredel, R.: 250 years of astronomy in Spain, Cadiz, September<br />
(Vortrag)<br />
Haas, M.: The Promise of ALMA, Elba 26.-30.Mai (Vortrag);<br />
AG-Tagung 2004, Freiburg, 15.–19. September (Vortrag);<br />
Multiwavelength AGN surveys«, Cozumel/Mexiko 8.–12.<br />
Dezember (eingeladener Vortrag)<br />
Häring, N.: ESO workshop Science with adaptive optics,<br />
Garching, 16.–19. September (Vortrag)<br />
Häußler, B.: GEMS meetings in Baltimore (19.–20. Januar),<br />
Heidelberg (12.–14. Mai), Oxford (22.–26. Oktober);<br />
SISCO Meeting, Neapel (3.–6. September); IAU Genaral<br />
Assembly, Sydney, 13.–26. Juli (Poster)<br />
Henning, Th.: Kolloquium zur Eröffnung der Laborastrophysik-Einrichtung,<br />
Universität Jena, Februar; Astro-physics<br />
of Dust, Estes Park, Colorado, USA, Mai (eingeladener<br />
Vortrag); International Astronomical Union<br />
XXV. General Assembly, Sydney, Australien, Juli<br />
(Poster); Ringberg Workshop on long baseline inter-<br />
ferometry in the mid-infrared. Schloss Ringberg, Tegern-<br />
see, September (eingeladener Vortrag); 4th Cologne-<br />
Bonn-Zermatt-Symposium on the dense interstellar<br />
medium in galaxies. Zermatt, Schweiz, September<br />
(Vortrag); DESY-HS Workshop »<strong>Astronomie</strong> mit Groß-<br />
geräten«, AIP Potsdam, September (eingeladener<br />
Vortrag); University of Arizona, Tucson, USA, November<br />
(Kolloquiumsvortrag); Universität Heidelberg, November<br />
(Kolloquiumsvortrag); Universität Freiburg, Dezember<br />
(Kolloquiumsvortrag)<br />
Hippler, S.: NAOMI workshop on adaptive optics, La Palma,<br />
9.–10. Januar (Vortrag); Kolloquium der Justus-Liebig<br />
Universität Gießen, 8. Februar (eingeladener Vortrag);<br />
ESO Mini-school on multi-conjugate adaptive optics for<br />
extremely large telescopes, Garching, 19.–21. Februar<br />
(Vortrag); CHEOPS progress meeting, ETH Zürich, 6.–7.<br />
Oktober (Vortrag)<br />
Huisken, F.: Royal Astronomical Society Meeting on<br />
Polyatomics and DIBʼs in diffuse interstellar clouds,<br />
Manchester, England, 8.–9. Januar (Poster), Workshop<br />
»Nanotechnology: avenues of research and technological<br />
applications«, Lissabon, 14. April (Eingeladener Vortrag,<br />
Poster); International Conference on »Astrophysics of<br />
Dust«, Estes Park, Colorado, USA, 25.–30. Mai (Poster),<br />
XX. International symposium on molecular beams,<br />
Lissabon, 8.–13. Juni (eingeladener Vortrag); Autumn<br />
school on materials science and electron microscopy,<br />
Berlin Adlershof, 27. September – 1. Oktober (eingeladener<br />
Vortrag); Colloquium in honour of the 65th birthday<br />
of Prof. Dr. Udo Buck, MPI <strong>für</strong> Strömungsforschung,<br />
Göttingen, 24. Oktober (eingeladener Vortrag);<br />
Tagungen/Vorträge. 125<br />
Physikalisches Kolloquium der Universität Duisburg, 5.<br />
November (eingeladener Vortrag)<br />
Kautsch, S.: Jahrestagung der österreichischen Gesellschaft<br />
fuer <strong>Astronomie</strong> und Astrophysik Innsbruck 24. – 25.<br />
April (Poster); Astrophysics Conference: Star and structure<br />
formation: from first light to the Milky Way, ETH<br />
Zürich, 18.–23. August (Poster)<br />
Kniazev, A.: AAS meeting, Seattle, Januar (Poster); SDSS<br />
collaboration meeting, Flagstaff, 10.–12. April (Vortrag);<br />
SDSS collaboration meeting, Fermilab, Chicago, 2.-4.<br />
Oktober, (eingeladener Vortrag)<br />
Köhler, R.: IAU Colloquium 191 »The environment and<br />
evolution of binary and multiple stars«, Merida/Mexiko,<br />
1.– 9. Februar (Vortrag); Towards other Earths: DARWIN,<br />
TPF and the search for extrasolar terrestrial planets, April<br />
22-25, Heidelberg; Astronomisches Kolloquium, Jena,<br />
29. Juli (eingeladener Vortrag); Ringberg Workshop on<br />
Long baseline interferometry, 1.– 5. September; Workshop<br />
on Science with AO, ESO/Garching, 15.–20. September<br />
(Vortrag); AG-Tagung, Splinter-Meeting »Star and planet<br />
formation – the role of binaries and angular momentum«,<br />
Freiburg, 18. September (eingeladener Vortrag);<br />
Workshop »Spectroscopically and spatially resolving the<br />
components of close binary stars«, Dubrovnik/Kroation,<br />
18.– 25. Oktober (eingeladener Vortrag)<br />
Krause, O.: Joint European and National Astronomical<br />
Meeting, Budapest (Poster); 25th General Assembly of the<br />
IAU, Sydney (Vortrag, Poster)<br />
Launhardt, R.: IAU Symposium 221: Star formation at<br />
high angular resolution, Sydney, 22-25 Juli (eingeladener<br />
Vortrag, Poster)<br />
Lee, H.: 201st meeting of the AAS, Seattle, USA, January<br />
(poster); Carnegie Observatories centennial symposium<br />
IV: Origin and evolution of the elements (poster)<br />
Leinert, Ch.: DARWIN Conference, Heidelberg, April; IAU<br />
Symposium 221 »Star formation at high angular resolution,<br />
Sydney, Australien, Juli (eingeladener Vortrag);<br />
Astronomisches Kolloquium »Optische Interferometrie«,<br />
Bonn, Oktober (eingeladener Vortrag); Jahrestagung der<br />
Astronomische Gesellschaft, Freiburg, September (eingeladener<br />
Vortrag).<br />
Lemke, D.: Jahrestagung der Astronomische Gesellschaft,<br />
Freiburg, September (eingeladener Vortrag)<br />
Lenzen, R.: ESO Workshop on science with adaptive optics,<br />
München, 16.–19. September (eingeladener Vortrag,<br />
Poster); Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg, 14.<br />
Juli (eingeladener Vortrag)<br />
Maier, Ch.: Multiwavelength cosmology conference,<br />
Mykonos Island, Griechenland, Juni (Poster); Workshop<br />
»The formation and early evolution of galaxies«, Irsee,<br />
Juli, (Vortrag); Tagung der ETH »Star and structure formation:<br />
from first stars to the Milky Way« (Vortrag)<br />
Marien, K.-H.: SPIEs 48th annual meeting, San Diego, 3-8<br />
August (Poster)<br />
Martinez-Delgado, D.: Tagung »Satellites and tidal streams«,<br />
La Palma, 26-30 Mai (Vortrag); Tagung »How does<br />
the Galaxy work?«, Granada, 23-27 Juni (eingeladener
126 Tagungen/Vorträge<br />
Vortrag); Stellar population conference, 5-10. Oktober,<br />
Garching (Poster)<br />
Masciardi, E.: IAP Congress on extra-solar planets, Paris, 30.<br />
Juni – 4. Juli (Poster); ESO Workshop on Science with the<br />
AO, Garching, 16.-19. September (Poster)<br />
Meisenheimer, K.: Kolloquiumsvortrag in Groningen, 7.<br />
April; SFB 439 Workshop »Formation and early evolution<br />
of galaxies«, Kloster Irsee, 30. Juni – 4. Juli<br />
(Übersichtsvortrag); Ringberg meeting on interferometry,<br />
1. September (eingeladener Vortrag); AG-Splinter meeting,<br />
Freiburg 16. September (eingeladener Vortrag)<br />
Pascucci, I.: DARWIN Conference, Heidelberg, 22.-25. April<br />
(Poster); IAU Symposium No. 221: Star formation at<br />
high angular resolution, Darling Harbor, Sydney, 22.–25.<br />
Juli (Poster); Ringberg Symposium on Long baseline<br />
interferometry in the mid-infrared, 1.–5. September (zwei<br />
Vorträge)<br />
Ragazzoni, R.: Società Astronomica Italiana Trieste, XLVII<br />
Congresso Nazionale SAI, Trieste, 14.–17. April (Vortrag);<br />
2nd Baeckaskog workshop on exteremely large telescopes,<br />
Baeckaskog Castle, Sweden, 9.–11. September (eingeladener<br />
Vortrag, ein weiterer Vortrag, zwei Poster); SPIE<br />
International Symposium »Optical science and technology«,<br />
SPIEʻs 48th annual meeting, San Diego, California,<br />
3.–8. August (Votrag); EMBO Workshop on advanced light<br />
microscopy 3rd international meeting of the European<br />
Light Microscopy Initiative (ELMI) Barcelona, 11-13 Juni<br />
(eingeladener Vortrag); IAU XXV General Assembly,<br />
Sydney, Juli, Joint Discussion 08, Large telescopes and<br />
virtual observatory – visions for the future (eingeladener<br />
Vortrag)<br />
Ratzka, Th.: DARWIN Conference, Heidelberg, 22.-25. April;<br />
Jahrestagung der AG, Splinter-Meeting »Star and planet<br />
formation – the role of binaries and angular momentum«,<br />
Freiburg, 16.–19. September (Vortrag)<br />
Rix, H.-W.: Seminar über Theoretische Physik, Universität<br />
Heidelberg, 13. Januar (eingeladener Vortrag);<br />
Physikalisches Kolloquium der Universität Göttingen, 3.<br />
Februar (eingeladener Vortrag); Astrophysics colloquium<br />
at University of Colorado, Boulder, 7. April (eingeladener<br />
Vortrag); Colloquium at UC Santa Cruz, USA, 9.<br />
April (eingeladener Vortrag); Vatican Summer School at<br />
Vatican Observatory, Castel Gandolfo, 30. Juni – 7. Juli<br />
(sechs Vorlesungen); Kolloquium über Teilchen- und<br />
Astrophysik, Universität Heidelberg, 21. Juli (eingeladener<br />
Vortrag); ETH-Konferenz, Zurich, 21. August (eingeladener<br />
Vortrag); Astronomy seminar at Cambridge University<br />
(UK), 3. September (eingeladener Vortrag); ESO-USM-<br />
MPE Workshop on Multiwavelength Mapping of Galaxy<br />
Formation and Evolution, Venedig, 14. Oktober (eingeladener<br />
Vortrag); Workshop »<strong>Astronomie</strong> mit Großgeräten«,<br />
AIP Potsdam, 17. (eingeladener Vortrag); Observatoire de<br />
Strasbourg, 21. November, Seminarvortrag<br />
Rodmann, J.: Workshop »Planetenbildung: Das Sonnensystem<br />
und extrasolare Planeten«, Weimar, Februar (Poster);<br />
Konferenz »Toward Other Earths: DARWIN/TPF and<br />
the search for extrasolar planets«, Heidelberg, 22.–25.<br />
April (Poster); PLANETS Network meeting and School<br />
»Introduction into the formation of planetary systems«,<br />
Heidelberg, Oktober; Summerschool, »Extrasolar planets<br />
and brown dwarfs«, Santiago, 15.–19. Dezember (Poster)<br />
Röser, H.-J.: Carnegie Observatories Centennial Symposium<br />
»Clusters of galaxies: probes of cosmological structure<br />
and galaxy evolution«, Pasadena, 27.–31. Januar (Poster)<br />
Schartmann. M.: International Summer School »Black holes<br />
in the Universe«, Cargese (Korsika), 12.–24. Mai;<br />
Ringberg Workshop »Long baseline interferometry in the<br />
mid-infrared«, 1.–5. September (Vortrag)<br />
Schütz, O.: Konferenz »Toward other Earths: DARWIN/TPF<br />
and the search for extrasolar planets«, Heidelberg, 22.–25.<br />
April; ESO Workshop »High resolution infrared spectroscopy<br />
in astronomy«, Garching, 18.–21. November; ESO<br />
Seminarvortrag talk, Santiago, 4. August: »Extrasolar<br />
planets«<br />
Setiawan, J. Jahrestagung der AG, Freiburg, 15.–19.<br />
September (Vortrag); Tagung »Spectroscopically and spatially<br />
resolving the components of close binary stars«,<br />
Dubrovnik, 20.–24. Oktober (Poster)<br />
Staicu, A.: XX International Symposium on molecular beams,<br />
Lissabon, 8.–.13 Juni (Poster); 7th International<br />
Conference ROMOPTO <strong>2003</strong> on Optics, Constanta,<br />
Romania, September 8-11 (Poster)<br />
Steinacker, J.: Workshop »Planetenbildung: Das Sonnensystem<br />
und extrasolare Planeten« Weimar Februar<br />
(Vortrag); Konferenz »Toward other Earths: DARWIN/TPF<br />
and the search for extrasolar planets«, Heidelberg, 22.-25.<br />
April (Vortrag); Workshop »Planetary formation: toward<br />
a new scenario« Marseille, Juni (Vortrag); Universität<br />
Jena, Juni: »Die Bedeutung des Strahlungstransportes<br />
<strong>für</strong> die Theorie der Stern- und Planetenentstehung« (eingeladener<br />
Vortrag); XIXth IAP Colloquium »Extrasolar<br />
planets: today and tomorrow«, Paris, Juni (Vortrag);<br />
JEMAN »New deal in European astronomy: trends and<br />
perspectives«, Budapest, August (Vortrag); Ringberg<br />
Workshop »Long baseline interferometry in the midinfrared«,<br />
September (Vortrag); Jahrestagung der AG,<br />
Splinter meeting »Interferometry with large telescopes«,<br />
Freiburg, September (Vortrag); Workshop »Numerical<br />
methods for multidimensional radiative transfer problems«,<br />
Heidelberg, September (Vortrag); Universität<br />
Graz, Dezember (eingeladener Vortrag)<br />
Stickel, M.: IAU Symposium 216, Maps of the Cosmos,<br />
Sydney Juli <strong>2003</strong> (Poster); IAU Symposium 217,<br />
Recycling intergalactic and interstellar matter, Sydney<br />
Juli <strong>2003</strong> (Vortrag)<br />
Sukhorukov, O.: Eighteenth Colloquium on high-resolution<br />
molecular spectroscopy, Dijon, 8.–12. September (Poster)<br />
Tóth, L.V.: New deal in European astronomy: trends and<br />
perspectives, August, Budapest. (Vortrag)<br />
Umbreit, S.: Workshop »Planetenbildung: Das Sonnensystem<br />
und extrasolare Planeten«, Weimar, 19.–21. Februar;<br />
Konferenz »Toward Other Earths: DARWIN/TPF and the<br />
search for extrasolar planets«, Heidelberg, 22.-25. April<br />
(Poster)
Öffentliche Vorträge<br />
Leinert, Ch.: Volkssternwarte Bonn, Oktober: »Optische<br />
Interferometrie«<br />
Lemke, D.: Sternfreunde Nordenham, Mai: »<strong>Astronomie</strong><br />
mit ISO«<br />
Lenzen, R.: Heppenheim, 6. September: »NACO/VLT<br />
– From the First Idea to First Results«<br />
Quetz, A. M.: Rüsselsheimer Sternfreunde e.V.,<br />
Volkshochschule Rüsselsheim, 21.2.: »Entstehung<br />
von Planetensystemen«; Volkssternwarte Darmstadt<br />
Weitere Aktivitäten am <strong>Institut</strong><br />
Am 8. Mai fand am <strong>Institut</strong> ein Girlʼs Day statt, an dem<br />
insgesamt 53 Schülerinnen im Alter zwischen 11 und 16<br />
Jahren die Werkstätten und technischen Abteilungen des<br />
<strong>MPIA</strong> kennen lernten.<br />
Am 10. Oktober nahm das <strong>Institut</strong> im Rahmen des SWR<br />
Uni-Forums an einem Schülertag teil. Ca. 70 Schüler<br />
der gymnasialen Oberstufe hatten Gelegenheit, die wissenschaftliche<br />
Arbeit am <strong>MPIA</strong> aus eigener Anschauung<br />
kennen zu lernen.<br />
Mitarbeit in Gremien<br />
Bailer-Jones, C.: Mitglied des GAIA Science Teams und des<br />
Senior Advisory Body to the ESA for the development<br />
of GAIA; Leiter des GAIA Classification Working Group;<br />
Mitglied des Organizing Committee of IAU Commission<br />
45 (Stellar Classification)<br />
Böhnhardt, H.: Mitglied der Arbeitsgruppen »ROSETTA<br />
science« und » ROSETTA dust modelling« der ESA<br />
Feldt, M.: Mitglied des Arbeitskreises »Lessons Learned«<br />
der ESO VLT Instrument PIs<br />
Graser, U.: Technischer Koordinator <strong>für</strong> das Deutsches<br />
Interferometrie Zentrum (FrInGe), Mitglied des Boards<br />
der European Interferometry Initiative (EII), Leiter des<br />
Arbeitsbereiches »Advanced Instruments: Feasibility<br />
and pre-design studies« der European Interferometry<br />
Joint Research Activity<br />
Grebel, E.: Mitglied des SDSS Collaboration Council und<br />
des RAVE Executive Board<br />
Gredel, R.: Mitglied der OPTICON Arbeitsgruppe »Future of<br />
medium-sized telescopes«<br />
Henning, Th.: Mitglied des Scientific and Technical Committee<br />
der ESO; Mitglied der ESO Strategic Planning<br />
Group; Mitglied im ESO-VLT-Instrument Science Team<br />
<strong>für</strong> VISIR; Mitglied der Astronomy Working Group<br />
der ESA; Mitglied des SOFIA Science Steering Committee;<br />
Mitglied im SOFIA Science Council; Mitglied<br />
Tagungen/Vorträge/Weitere Aktivitäten/Mitarbeit in Gremien 127<br />
e.V., 10.5.: »Entstehung von Planetensystemen«;<br />
Freundeskreis Planetarium Mannheim e.V.,<br />
<strong>Astronomie</strong> am Nachmittag, 9.12.: »Entstehung von<br />
Planetensystemen«<br />
Rix, H.-W.: Rotary Club, Bensheim, 7. März: »Wie das<br />
Universum interessant wurde«<br />
Staude, J.: Jahresversammlung der MPG, Hamburg, Juni:<br />
mehrere Schulvorträge<br />
Durch das <strong>Institut</strong> in Heidelberg wurden 17 Besuchergruppen<br />
mit insgesamt 550 Teilnehmern geführt (A.M.<br />
Quetz, S. Kellner u.a.)<br />
Auf dem Calar Alto wurden ca. 1800 Besucher, davon<br />
etwa 75 % spanische Schulklassen und etwa 10 %<br />
öffentliche spanische Organisationen und <strong>Institut</strong>ionen<br />
durch das Observatorium geführt.<br />
J. Staude gestaltete, unterstützt von A.M. Quetz, den 42.<br />
Jahrgang der Zeitschrift Sterne und Weltraum.<br />
des European ALMA Board; Vorsitzender des German<br />
Interferometry Centre FrInGe; Berufungskommission<br />
»Direktor ARI Heidelberg«; TAC Hubble Space Telescope;<br />
Gutachter der Deutschen Forschungsgemeinschaft<br />
(DFG); Mitglied im DLR-Gutachterausschuss »Extraterrestrische<br />
Grundlagenforschung«; Stellvertretender<br />
Vorsitzender des wissenschaftlichen Beirats des Kiepenheuer-<strong>Institut</strong>s<br />
<strong>für</strong> Sonnenphysik, Freiburg; Wissenschaftliches<br />
Mitglied in den ISOPHOT, MIDI (VLT) und<br />
HIFI (HERSCHEL) Instrument Teams; Co-I of the infrared<br />
instruments FIFI-LS (SOFIA), PACS (HERSCHEL), MIRI<br />
(JWST), CHEOPS (VLT), PRIMA-DDL (VLTI); Mitglied<br />
der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina.<br />
Leinert, Ch.: Mitglied im Panel des OPC der ESO, im Science<br />
Demonstration Time Team der ESO, der Working<br />
Group for Interferometry der IAU<br />
Lemke, D.: Principal Investigator des ISOPHOT-Konsortiums,<br />
Co-Investigator im HERSCHEL-PACS- und im<br />
NGST-MIRI Konsortium, Mitglied im Gutachter-Ausschuss<br />
»Verbundforschung <strong>Astronomie</strong>«, <strong>MPIA</strong>-Koordinator<br />
<strong>für</strong> das POE Netzwerk<br />
Klaas, U.: Co-Investigator im ISOPHOT-Konsortium und im<br />
HERSCHEL-PACS-Konsortium, Mitglied des ISO Active<br />
Archive Phase Coordination Committee und des HER-<br />
SCHEL Calibration Steering Group
128 Mitarbeit in Gremien/Preise/Veröffentlichungen<br />
Launhardt, R.: Vorstandsmitglied der Wissenschaftlichen<br />
Ernst-Patzer-Stiftung<br />
Lenzen, R.: Mitglied im Phase-A Review Board for ESO<br />
Instrumentation HAWK-I<br />
Rix, H.-W.: Mitglied im wissenschaftlichen Beirat und<br />
im Kuratorium des Astronomischen <strong>Institut</strong>s Potsdam<br />
(AIP), im Scientific Advisory Board des Astronomischen<br />
Rechen-<strong>Institut</strong>s Heidelberg (ARI), im ESO<br />
Preise<br />
Sebastian Jester erhielt die Otto-Hahn-Medaille 2002<br />
der <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-Gesellschaft (verliehen auf der<br />
Jahresversammlung <strong>2003</strong>) <strong>für</strong> seine Arbeiten zu<br />
den physikalischen Bedingungen in den Jets von<br />
Radiogalaxien und Quasaren.<br />
Veröffentlichungen<br />
In Zeitschriften mit Referee-System:<br />
Abazajian, K., J. K. Adelman-McCarthy, M. A. Agueros,<br />
S. S. Allam, S. F. Anderson, J. Annis, N. A. Bahcall, I.<br />
K. Baldry, S. Bastian, A. Berlind, M. Bernardi, M. R.<br />
Blanton, N. Blythe, J. J. Bochanski, Jr. , W. N. Boroski, H.<br />
Brewington, J. W. Briggs, J. Brinkmann, R. J. Brunner, T.<br />
Budavári, L. N. Carey, M. A. Carr, F. J. Castander, K. Chiu,<br />
M. J. Collinge, A. J. Connolly, K. R. Covey, I. Csabai, J. J.<br />
Dalcanton, S. Dodelson, M. Doi, F. Dong, D. J. Eisenstein,<br />
M. L. Evans, X. Fan, P. D. Feldman, D. P. Finkbeiner, S.<br />
D. Friedman, J. A. Frieman, M. Fukugita, R. R. Gal, B.<br />
Gillespie, K. Glazebrook, C. F. Gonzalez, J. Gray, E. K.<br />
Grebel, L. Grodnicki, J. E. Gunn, V. K. Gurbani, P. B.<br />
Hall, L. Hao, D. Harbeck, F. H. Harris, H. C. Harris, M.<br />
Harvanek, S. L. Hawley, T. M. Heckman, J. F. Helmboldt,<br />
J. S. Hendry, G. S. Hennessy, R. B. Hindsley, D. W. Hogg,<br />
D. J. Holmgren, J. A. Holtzman, L. Homer, L. Hui, S.-J.<br />
Ichikawa, T. Ichikawa, J. P. Inkmann, Z. Ivezic, S. Jester,<br />
D. E. Johnston, B. Jordan, W. P. Jordan, A. M. Jorgensen,<br />
M. Juric, G. Kauffmann, S. M. Kent, S. J. Kleinman, G.<br />
R. Knapp, A. Y. Kniazev, R. G. Kron, J. Krzesinski, P. Z.<br />
Kunszt, N. Kuropatkin, D. Q. Lamb, H. Lampeitl, B. E.<br />
Laubscher, B. C. Lee, R. F. Leger, N. Li, A. Lidz, H. Lin,<br />
Y.-S. Loh, D. C. Long, J. Loveday, R. H. Lupton, T. Malik,<br />
B. Margon, P. M. McGehee, T. A. McKay, A. Meiksin, G.<br />
A. Miknaitis, B. K. Moorthy, J. A. Munn, T. Murphy, R.<br />
Nakajima, V. K. Narayanan, T. Nash, E. H. Neilsen, Jr. , H.<br />
J. Newberg, P. R. Newman, R. C. Nichol, T. Nicinski, M.<br />
Nieto-Santisteban, A. Nitta, M. Odenkirchen, S. Okamura,<br />
J. P. Ostriker, R. Owen, N. Padmanabhan, J. Peoples, J. R.<br />
Pier, B. Pindor, A. C. Pope, T. R. Quinn, R. R. Rafikov,<br />
Visiting Committee, im VLTI Steering Committee, im<br />
Board von OPTICON und im Board der Large Binocular<br />
Telescope Corporation (LBTC); Vorsitzender des<br />
Boards der Large Binocular Telescope Beteiligungsgesellschaft<br />
(LBTB)<br />
Staude, J.: Mitglied der Jury beim Bundeswettbewerb<br />
Jugend forscht.<br />
Sebastian Egner erhielt <strong>für</strong> seine Diplomarbeit »Optical<br />
turbulence estimation and emulation« den Otto-Haxel-<br />
Preis der Universität Heidelberg. Der Preis wird in<br />
jedem Semester <strong>für</strong> herausragende Diplomarbeiten im<br />
Fach Physik vergeben und ist mit einer Urkunde und<br />
einem Geldpreis von 500 Euro verbunden.<br />
S. N. Raymond, G. T. Richards, M. W. Richmond, H.-<br />
W. Rix, C. M. Rockosi, J. Schaye, D. J. Schlegel, D. P.<br />
Schneider, J. Schroeder, R. Scranton, M. Sekiguchi, U.<br />
Seljak, G. Sergey, B. Sesar, E. Sheldon, K. Shimasaku, W.<br />
A. Siegmund, N. M. Silvestri, A. J. Sinisgalli, E. Sirko,<br />
J. A. Smith, V. Smolcic, S. A. Snedden, A. Stebbins, C.<br />
Steinhardt, G. Stinson, C. Stoughton, I. V. Strateva, M. A.<br />
Strauss, M. SubbaRao, A. S. Szalay, I. Szapudi, P. Szkody,<br />
L. Tasca, M. Tegmark, A. R. Thakar, C. Tremonti, D. L.<br />
Tucker, A. Uomoto, D. E. Vanden Berk, J. Vandenberg, M.<br />
S. Vogeley, W. Voges, N. P. Vogt, L. M. Walkowicz, D. H.<br />
Weinberg, A. A. West, S. D. M. White, B. C. Wilhite, B.<br />
Willman, Y. Xu, B. Yanny, J. Yarger, N. Yasuda, C.-W. Yip,<br />
D. R. Yocum, D. G. York, N. L. Zakamska, I. Zehavi, W.<br />
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T. Richards, H.-W. Rix, E. S. Sheldon, N. A. Bahcall, J.<br />
Brinkmann, Z. Ivezic, D. Q. Lamb, T. A. McKay, D. P.<br />
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Oberti, J. Paufique, S. Rossi, S. Tordo, S. Stroebele, J.-L.<br />
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<strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-<strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Astronomie</strong> Heidelberg<br />
Centro Astronomico<br />
Hispano Aleman Almeria
Die <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-Gesellschaft<br />
Die <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften wurde im Jahre<br />
1948 als gemeinnützige Forschungsorganisation in der Rechtsform eines eingetragenen<br />
Vereins gegründet. Als Nachfolgeorganisation der 1911 gegründeten Kaiser-<br />
Wilhelm-Gesellschaft betreibt sie in ihren derzeit 88 <strong>Institut</strong>en und Einrichtungen<br />
erkenntnisorientierte und anwendungsoffene Grundlagenforschung. Bei einem<br />
Jahresetat von rund 1.33 Milliarden Euro im Jahr <strong>2003</strong> beschäftigt sie rund 12 300<br />
Mitarbeiter, von denen etwa ein Viertel Wissenschaftler sind. Zusätzlich forschen im<br />
Jahresverlauf rund 9600 Nachwuchs- und Gastwissenschaftler an den Einrichtungen<br />
der <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-Gesellschaft.<br />
Das Ziel der <strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-Gesellschaft ist die Föderung von Spitzenforschung im<br />
internationalen Vergleich. Dazu werden die Forschungseinrichtungen angemessen<br />
ausgestattet und herausragend qualifizierten Forschern anvertraut. Diese genießen bei<br />
ihrer Arbeit ein hohes Maß an wissenschaftlicher Autonomie.<br />
<strong>Max</strong>-<strong>Planck</strong>-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.<br />
Referat <strong>für</strong> Presse- und Öffentlichkeitsarbeit<br />
Hofgartenstr. 8<br />
80539 München<br />
Tel.: 089/2108-1275 oder -1277<br />
Fax: 089/2108-1207<br />
Internet: http://www.mpg.de