Ein Forschungsteam hat mit den Hochfrequenzfähigkeiten des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) Jets aus warmem Wasserdampf entdeckt, die von einem neu entstehenden Stern wegströmen. Die Wissenschaftler registrierten auch die „Fingerabdrücke“ einer erstaunlichen Vielzahl an Molekülen in der Nähe dieser stellaren Kinderstube.
Das ALMA-Teleskop in Chile hat die Art und Weise verändert, wie wir das Universum sehen, indem es uns ansonsten unsichtbare Teile des Kosmos zeigt. Dieses Netzwerk aus unglaublich präzisen Antennen erfasst einen relativ hochfrequenten Bereich der Radiowellen – das sind Wellenlängen zwischen ein paar Zehnteln eines Millimeters bis hin zu mehreren Millimetern. Kürzlich brachten Wissenschaftler ALMA an seine Grenzen und machten sich seine Fähigkeiten in den höchsten Frequenzen (also den kürzesten Wellenlängen) zunutze. Damit blickten sie in einen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der den Übergang von infrarotem Licht zu Radiowellen darstellt.
„Hochfrequente Radiobeobachtungen wie diese sind vom Boden aus normalerweise nicht möglich“, sagte Brett McGuire, ein Chemiker am National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville (Virginia) und Hauptautor einer Studie, die in den Astrophysical Journal Letters erscheint. „Sie erfordern die extreme Präzision und Empfindlichkeit von ALMA, zusammen mit den trockensten und stabilsten atmosphärischen Bedingungen, die man auf der Erde finden kann.“
Unter idealen atmosphärischen Bedingungen, die am Abend des 5. April 2018 auftraten, richteten Astronomen ALMAs Submillimeter-Blick mit den höchsten Frequenzen auf eine interessante Region des Katzenpfotennebels (auch bekannt als NGC 6334l). Der Katzenpfotennebel ist ein Sternentstehungskomplex, der rund 4.300 Lichtjahre von der Erde entfernt in Richtung des südlichen Sternbildes Scorpius (Skorpion) liegt. Frühere ALMA-Beobachtungen dieser Region in niedrigeren Frequenzen offenbarten turbulente Sternentstehungsprozesse, eine hochgradig dynamische Umgebung und eine Fülle an Molekülen innerhalb des Nebels.
Um in höheren Frequenzen zu beobachten, sind die ALMA-Antennen so konzipiert, dass sie eine Reihe von Frequenz-„Bändern“ (nummeriert von 1 bis 10) registrieren, wovon jedes einen bestimmten Bereich des Spektrums empfängt. Die Empfänger des Band 10 beobachten in den höchsten Frequenzen (kürzesten Wellenlängen) aller ALMA-Instrumente und erfassen Wellenlängen zwischen 0,3 und 0,4 Millimeter (entsprechend 787 bis 950 Gigahertz), was auch als langwelliges Infrarotlicht bezeichnet wird. Diese ersten ALMA-Beobachtungen dieser Art mit dem Band 10 erbrachten zwei aufregende Ergebnisse.
Wasserdampfjets von einem Protostern
Eines von ALMAs ersten Ergebnissen mit Band 10 war auch eines der anspruchsvollsten: Die direkte Beobachtung von Wasserdampfjets, die von einem der massereichsten Protosterne in der Region wegströmen. ALMA war in der Lage, die Submillimeterwellenlängen zu registrieren, die von sogenanntem „schweren Wasser“ emittiert werden. Diese Moleküle bestehen aus Sauerstoff- und Deuteriumatomen, wobei letztere Wasserstoffatome mit einem Proton und einem Neutron in ihrem Kern sind.
„Normalerweise wären wir nicht imstande, dieses besondere Signal vom Boden aus direkt zu sehen“, sagte Crystal Brogan, Astronomin am NRAO und Co-Autorin der Studie. „Die Erdatmosphäre enthält sogar an bemerkenswert trockenen Orten noch genug Wasserdampf, um dieses Signal von irgendeiner kosmischen Quelle komplett zu überdecken. Während außergewöhnlicher Bedingungen in der hohen Atacamawüste kann ALMA das Signal jedoch tatsächlich registrieren. Das ist etwas, das kein anderes Teleskop auf der Erde leisten kann.“
Wenn Sterne aus massereichen Gas- und Staubwolken zu Entstehen beginnen, fällt das den Stern umgebende Material in Richtung der Masse im Zentrum. Ein Teil dieser Materie wird von dem wachsenden Protostern jedoch in Form zweier Jets nach außen abgestoßen, die Gas und Moleküle wegtragen, darunter auch Wasser.
Das von den Forschern beobachtete schwere Wasser entströmt entweder von einem einzelnen Protostern oder von einer kleinen Gruppe Protosterne. Diese Jets sind anders ausgerichtet als viel größere und möglicherweise ältere Jets, die offenbar aus der gleichen Region abgestoßen werden. Die Astronomen spekulieren, dass die von ALMA beobachteten Jets aus schwerem Wasser relativ junge Strukturen sind, die gerade beginnen, sich in den umgebenden Nebel zu bewegen.
Diese Beobachtungen zeigen außerdem, dass in den Regionen, wo das Wasser auf das umgebende Gas trifft, niederfrequente Wasser-Maser aufleuchten – das sind natürlich auftretende Mikrowellen-Versionen von Lasern. Die Maser wurden in ergänzenden Beobachtungen vom Very Large Array der National Science Foundation nachgewiesen.
ALMA beobachtet eine Vielzahl an Molekülen
Neben der Fähigkeit, verblüffende Bilder von Objekten im Weltraum zu machen, ist ALMA auch ein extrem empfindlicher kosmischer chemischer Sensor. Angeregte Moleküle im Weltraum emittieren natürlicherweise Licht in bestimmten Wellenlängen, die als Spitzen und Täler in einem Spektrum erscheinen. Alle Empfängerbänder ALMAs können diese einzigartigen spektralen Fingerabdrücke registrieren, aber die Linien im höchsten Frequenzbereich bieten einmalige Einblicke in leichtere, wichtige Substanzen wie schweres Wasser. Sie bieten ebenso die Möglichkeit, Signale von komplexen, warmen Molekülen zu sehen, die schwächere Spektrallinien in niedrigeren Frequenzen besitzen.
Mit dem Band 10 konnten die Forscher einen Bereich des Spektrums beobachten, der außerordentlich reich an molekularen Fingerabdrücken ist, darunter Glycolaldehyd, das einfachste mit Zucker zusammenhängende Molekül. Verglichen mit den früheren weltbesten Beobachtungen derselben Quelle, basierend auf Daten des ESA-Weltraumteleskops Herschel, registrierten die ALMA-Beobachtungen über zehnmal mehr Spektrallinien.
„Wir registrierten eine Fülle komplexer organischer Moleküle in der Umgebung dieser großen Sternentstehungsregion“, sagte McGuire. „Die astronomische Gemeinschaft hat diese Ergebnisse mit Spannung entgegengenommen. Sie zeigen wieder einmal, wie ALMA unser Wissen über das Universum neu gestalten wird.“
ALMA kann diese seltenen Gelegenheiten nutzen, wenn die atmosphärischen Bedingungen „genau richtig“ sind, indem es die dynamische Planung verwendet. Das bedeutet, die Betreiber des Teleskops und die Astronomen überwachen sorgfältig das Wetter und führen die geplanten Beobachtungen durch, die am besten zu den vorherrschenden Bedingungen passen.
„Es gibt sicherlich einige Bedingungen, die passen müssen, um mit Band 10 eine erfolgreiche Beobachtung durchführen zu können“, sagte Brogan. „Aber die neuen ALMA-Resultate demonstrieren einfach, wie wichtig diese Beobachtungen sein können.“
„Um an der vordersten Front der Entdeckungen zu bleiben, müssen Observatorien ständig verbessert werden und die Spitze dessen führen, was die Astronomie erreichen kann“, sagte Joe Pesce, der Programmdirektor des National Radio Astronomy Observatory der NSF. „Das ist ein Kernelement des National Radio Astronomy Observatory und des ALMA-Teleskops, und diese Entdeckung erweitert die Grenzen dessen, was mit bodengestützter Astronomie möglich ist.“
Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation und wird im Rahmen eines Kooperationsvertrags von der Associated Universities, Inc. betrieben.
(THK)
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