Erste Zählung von variablen Mira-Typs in einer Galaxie außerhalb der Lokalen Gruppe
10. Juni 2003
Ein internationales Team unter der Leitung der ESO-Astronomin Marina Rejkuba hat mehr als 1000 leuchtende rote veränderliche Sterne in der nahen elliptischen Galaxie Centaurus A (NGC 5128) entdeckt. Die Helligkeitsänderungen und Perioden dieser Sterne wurden genau gemessen und zeigen, dass es sich überwiegend um kühle, langperiodische veränderliche Sterne des so genannten „Mira-Typs“ handelt. Die beobachtete Veränderlichkeit wird durch stellare Pulsation verursacht. Dies ist das erste Mal, dass eine detaillierte Zählung veränderlicher Sterne für eine Galaxie außerhalb der Lokalen Gruppe von Galaxien (zu der die Milchstraße, in der wir leben, gehört) durchgeführt wurde. Außerdem eröffnet sich damit ein völlig neues Fenster für die detaillierte Untersuchung des Sterngehalts und der Entwicklung von elliptischen Riesengalaxien. Von diesen massereichen Objekten wird angenommen, dass sie eine wichtige Rolle bei der gravitativen Zusammensetzung von Galaxienhaufen im Universum spielen (insbesondere in der Frühphase). Dieses beispiellose Forschungsprojekt basiert auf Beobachtungen im nahen Infrarot, die über mehr als drei Jahre mit dem ISAAC-Multimode-Instrument am 8,2-m-VLT-Teleskop ANTU am Paranal-Observatorium der ESO durchgeführt wurden.
Veränderliche Sterne vom Mira-Typ
Unter den Sternen, die mit bloßem Auge am Himmel sichtbar sind, zeigt etwa einer von dreihundert (0,3 %) Helligkeitsschwankungen und wird von den Astronomen als „veränderlicher Stern“ bezeichnet. Der Prozentsatz ist bei großen, kühlen Sternen („Rote Riesen“) viel höher – tatsächlich sind fast alle leuchtenden Sterne dieses Typs veränderlich. Solche Sterne werden als Mira-Variable bezeichnet; der Name stammt von dem prominentesten Vertreter dieser Klasse, Omicron Ceti im Sternbild Cetus (der Wal), auch bekannt als „Stella Mira“ (der wunderbare Stern). Seine Helligkeit ändert sich mit einer Periode von 332 Tagen und er ist im Maximum (sichtbare Helligkeit 2 und einer der fünfzig hellsten Sterne am Himmel) etwa 1500 Mal heller als im Minimum (Helligkeit 10 und nur in kleinen Teleskopen sichtbar).
Sterne wie Omicron Ceti nähern sich dem Ende ihres Lebens. Sie sind sehr groß und haben eine Größe von einigen hundert bis etwa tausend Mal so groß wie die Sonne. Die Helligkeitsschwankungen sind auf Pulsationen zurückzuführen, während derer sich die Temperatur und die Größe des Sterns dramatisch verändern.
In der folgenden Entwicklungsphase werden die Mira-Variablen ihre äußeren Schichten in den umgebenden Raum abwerfen und als planetarische Nebel mit einem heißen und kompakten Stern (einem „Weißen Zwerg“) in der Mitte eines Nebels aus Gas und Staub sichtbar werden.
In der Milchstraße sind derzeit mehrere Tausend Sterne vom Mira-Typ bekannt, und einige Hundert wurden in anderen nahe gelegenen Galaxien, einschließlich der Magellanschen Wolken, gefunden.
Die eigentümliche Galaxie Centaurus A
Centaurus A (NGC 5128) ist die nächstgelegene Riesengalaxie in einer Entfernung von etwa 13 Millionen Lichtjahren. Sie befindet sich außerhalb der Lokalen Gruppe von Galaxien, zu der unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, und ihre Satellitengalaxien, die Magellanschen Wolken, gehören.
Centaurus A ist in Richtung des südlichen Sternbilds Centaurus zu sehen. Er hat eine elliptische Form und verschmilzt gerade mit einer Begleitgalaxie, was ihn zu einem der spektakulärsten Objekte am Himmel macht, vgl. ESO-Pressebild eso0315 . Sie besitzt ein sehr schweres Schwarzes Loch in ihrem Zentrum und ist eine Quelle starker Radio- und Röntgenemission.
Im Rahmen des vorliegenden Forschungsprogramms wurden zwei Regionen in Centaurus A nach Sternen mit variabler Helligkeit abgesucht; sie befinden sich in der Peripherie dieser eigenartigen Galaxie, vgl. eso0315b . Ein äußeres Feld („Feld 1“) deckt sich mit einer stellaren Hülle mit vielen blauen und leuchtenden Sternen, die durch die laufende Galaxienverschmelzung entstanden sind; es liegt 57.000 Lichtjahre vom Zentrum entfernt. Das innere Feld („Feld 2“) ist dichter bevölkert und befindet sich in einer voraussichtlichen Entfernung von etwa 30.000 Lichtjahren vom Zentrum.
Drei Jahre VLT-Beobachtungen
Unter normalen Umständen hat ein Team professioneller Astronomen nur für eine sehr begrenzte Anzahl aufeinanderfolgender Nächte pro Jahr Zugang zu den größten Teleskopen der Welt. Umfangreiche Suchen nach veränderlichen Sternen wie die vorliegende erfordern jedoch wiederholte Beobachtungen von Minuten bis Stunden über Zeiträume von Monaten bis Jahren. Es ist daher nicht möglich, solche Beobachtungen auf die klassische Weise durchzuführen, bei der die Astronomen jedes Mal zum Teleskop reisen.
Glücklicherweise ist das Betriebssystem des VLT am Paranal-Observatorium der ESO (Chile) auch für diese Art von Langzeitprogramm ausgelegt. Zwischen April 1999 und Juli 2002 wurde das 8,2-m-VLT-Teleskop ANTU auf dem Cerro Paranal in Chile mehrmals im Service-Modus betrieben, um mit dem Nahinfrarot-Multimodus-Instrument ISAAC K-Band-Bilder der beiden Felder in Centaurus A zu erhalten. Jedes Feld wurde im Laufe dieses Dreijahreszeitraums über 20 Mal beobachtet; einige der Bilder wurden bei außergewöhnlichen Seeing-Bedingungen von 0,30 Bogensekunden aufgenommen. Ein Satz ergänzender optischer Bilder wurde im Juli 1999 mit dem Multi-Mode-Instrument FORS1 (ebenfalls am VLT ANTU) aufgenommen.
Jedes Bild des ISAAC-Instruments deckt ein Himmelsfeld von 2,5 x 2,5 Bogenminuten ab.2 Die kombinierten Bilder, die eine Gesamtbelichtung von 20 Stunden umfassen, sind in der Tat die tiefsten Infrarotbilder, die jemals vom Halo einer Galaxie gemacht wurden, die so weit entfernt ist wie Centaurus A, etwa 13 Millionen Lichtjahre.
Entdeckung von eintausend Mira-Variablen
Nach Abschluss der langwierigen Beobachtungen waren zwei weitere Schritte erforderlich, um die variablen Sterne in Centaurus A zu identifizieren.
Zuerst wurde jedes ISAAC-Bild einzeln verarbeitet, um die Tausende und Abertausende von schwachen punktförmigen Bildern (Sterne) zu identifizieren, die in diesen Feldern sichtbar sind. Anschließend wurden alle Bilder mit Hilfe eines speziellen Softwarepakets („DAOPHOT“) verglichen, um die Helligkeit all dieser Sterne in den verschiedenen Bildern zu messen, d.h.,
Während die meisten Sterne in diesen Feldern erwartungsgemäß eine konstante Helligkeit aufwiesen, zeigten mehr als 1000 Sterne zeitliche Helligkeitsschwankungen; dies ist bei weitem die größte Anzahl variabler Sterne, die jemals in einer Galaxie außerhalb der Lokalen Galaxiengruppe entdeckt wurde.
Die detaillierte Analyse dieses enormen Datensatzes dauerte mehr als ein Jahr. Die meisten der veränderlichen Sterne gehörten zum Mira-Typ und ihre Lichtkurven (Helligkeit über die Pulsationsperiode) wurden gemessen, vgl. ESO Press Photo eso0315 . Für jeden von ihnen wurden die Werte der charakteristischen Parameter, der Periode (Tage) und der Helligkeitsamplitude (Magnituden) bestimmt. Ein Katalog der neu entdeckten veränderlichen Sterne im Centaurus A wurde nun der astronomischen Gemeinschaft über die europäische Forschungszeitschrift Astronomy & Astrophysics zur Verfügung gestellt.
Marina Rejkuba ist erfreut und dankbar: „Wir sind wirklich sehr glücklich, dass wir dieses ehrgeizige Projekt so erfolgreich durchgeführt haben. Dabei spielten verschiedene Faktoren eine entscheidende Rolle: die wiederholte Bewilligung wichtiger Beobachtungszeit durch das ESO Observing Programmes Committee über verschiedene Beobachtungszeiträume hinweg im harten internationalen Wettbewerb, die Stabilität und Zuverlässigkeit des Teleskops und des ISAAC-Instruments über einen Zeitraum von mehr als drei Jahren und nicht zuletzt die hervorragende Qualität der Service-Mode-Beobachtungen, die von den Mitarbeitern des Paranal-Observatoriums so effizient durchgeführt wurden.“
Was haben wir über Centaurus A gelernt?
Die vorliegende Studie über veränderliche Sterne in dieser elliptischen Riesengalaxie ist die erste ihrer Art überhaupt. Obwohl die Auswertung des sehr umfangreichen Beobachtungsdatenmaterials noch nicht abgeschlossen ist, hat sie bereits zu einer Reihe sehr nützlicher wissenschaftlicher Ergebnisse geführt.
Bestätigung des Vorhandenseins einer mittelalten Population
Auf der Grundlage früherer Forschungen (optische und Nah-IR-Farbmagnituden-Diagramme der Sterne in den Feldern) hatte das jetzige Astronomenteam zuvor das Vorhandensein von mittelalten und jungen Sternpopulationen im Halo dieser Galaxie nachgewiesen. Die jüngsten Sterne scheinen auf den mächtigen Jet ausgerichtet zu sein, der von dem massereichen Schwarzen Loch im Zentrum erzeugt wird.
Einige der jetzt entdeckten sehr leuchtkräftigen roten veränderlichen Sterne bestätigen das Vorhandensein einer Population von Sternen mittleren Alters im Halo dieser Galaxie. Sie tragen auch zu unserem Verständnis der Entstehung elliptischer Riesengalaxien bei.
Neue Messung der Entfernung zu Centaurus A
Das Pulsieren veränderlicher Sterne vom Typ Mira folgt einer Beziehung zwischen Periode und Leuchtkraft. Je länger die Periode, desto leuchtkräftiger ist ein Stern vom Mira-Typ.
Diese Tatsache ermöglicht es, Sterne vom Mira-Typ als „Standardkerzen“ (Objekte mit bekannter Eigenleuchtkraft) für Entfernungsbestimmungen zu verwenden. Tatsächlich wurden sie auf diese Weise schon oft verwendet, um genaue Entfernungen zu näheren Objekten zu messen, z.B. zu einzelnen Sternhaufen und zum Zentrum unserer Milchstraße, aber auch zu Galaxien der Lokalen Gruppe, insbesondere den Magellanschen Wolken.
Diese Methode funktioniert besonders gut bei Infrarotmessungen, und die Astronomen konnten nun die Entfernung zu Centaurus A auf diese neue Weise messen. Sie fanden 13,7 ± 1,9 Millionen Lichtjahre, was mit anderen Methoden übereinstimmt und diese bestätigt.
Untersuchung der Gradienten der stellaren Population im Halo einer elliptischen Riesengalaxie
Die beiden hier untersuchten Felder enthalten unterschiedliche Populationen von Sternen. Es wird eine deutliche Abhängigkeit von der Lage (ein „Gradient“) innerhalb der Galaxie beobachtet, die auf Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung oder im Alter oder auf eine Kombination von beidem zurückzuführen sein kann.
Das Verständnis der Ursache dieses Gradienten wird zusätzliche Hinweise darauf liefern, wie Centaurus A – und in der Tat alle elliptischen Riesengalaxien – entstanden ist und sich seitdem entwickelt hat.
Vergleich mit anderen bekannten nahegelegenen Galaxien
Bei früheren Untersuchungen wurden in der Milchstraße, unserer Heimatgalaxie, und in anderen nahegelegenen Galaxien der Lokalen Gruppe veränderliche Sterne vom Typ Mira entdeckt. Es gibt jedoch keine elliptischen Riesengalaxien wie Centaurus A in der Lokalen Gruppe, und dies ist das erste Mal, dass diese Art von Sternen in diesem Galaxientyp identifiziert werden konnte.
Die vorliegende Untersuchung öffnet nun ein neues Fenster für Studien über die stellaren Bestandteile solcher Galaxien.
Anmerkungen
Das Team besteht aus Marina Rejkuba und David Silva (ESO-Garching, Deutschland), Tim Bedding (School of Physics and Astronomy, Universität Sydney, Australien) und Dante Minniti (Departamento de Astronomía und FONDAP Center for Astrophysics, Pontifica Universidad Catolica de Chile, Santiago, Chile).
Mira ( Omicron Ceti ), ein kühler roter Riesenstern, ist einer der bekanntesten veränderlichen Sterne am Himmel. David Fabricius (Ostfriesland, Deutschland) soll ihn 1596 auf der Suche nach dem Planeten Merkur entdeckt haben. Im Jahr 1638 bestimmte Johann Holwarda aus der gleichen Gegend seine Periode auf 11 Monate und machte ihn damit zum ersten entdeckten langperiodischen Veränderlichen. Im Jahr 1642 nannte Johannes Hevelius (Danzig, heute Polen) den Stern Mira, „die Wunderbare“. Später wurde festgestellt, dass es sich um ein Doppelsternsystem handelt. Eine ganze Klasse von veränderlichen Sternen wurde nach diesem Stern benannt. Nach astronomischer Definition sind Sterne vom „Mira-Typ“ Veränderliche mit einer Periode von etwa 100 bis 1000 Tagen und mit visuellen Lichtschwankungen von mehr als 2,5 Magnituden.
Weitere Informationen
Die in dieser Pressemitteilung beschriebene Forschung wird in einem Forschungsartikel vorgestellt, der demnächst in der europäischen Forschungszeitschrift Astronomy & Astrophysics erscheint („Long Period Variables in NGC 5128: I. Catalogue“ von Marina Rejkuba et al.). Er ist im Internet als astro-ph/0305432 verfügbar.
Links
Das ISAAC-Multimode-Instrument am 8,2-m-VLT-Teleskop ANTU am Paranal-Observatorium der ESO.
Kontakte
Marina Rejkuba
ESO
Garching, Deutschland
Tel: +49 89 3200-6453
Email: [email protected]
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