Die Oberfläche eines Sterns ist alles andere als perfekt homogen, und seine Temperatur variiert im Laufe der Zeit. Eine von Étienne Artigau und seinem Team entwickelte innovative Methode ermöglicht es, die Temperaturschwankungen eines Sterns mit beispielloser Genauigkeit zu verfolgen.
Quelle: Benoit Gougeon/UdeM
"Indem wir die Temperaturen der Sterne verfolgen, können wir eine Menge über sie lernen: ihre Rotationsperiode, ihre stellare Aktivität, ihr Magnetfeld. Dieses intime Wissen über Sterne ist auch unerlässlich, um ihre Planeten zu finden und zu erforschen", erklärt der Forscher.
In einem demnächst erscheinenden Artikel im Astronomical Journal wird die Effizienz und Vielseitigkeit der Technik anhand von Beobachtungen an vier sehr unterschiedlichen Sternen demonstriert, die mit den Teleskopen Kanada-Frankreich-Hawaii und dem 3,6-m-Teleskop von La Silla durchgeführt wurden.
Sterne kennen, um ihre Planeten zu kennen
Das Team begann damit, die Spektren von Sternen zu untersuchen, um die Detektion von Exoplaneten mit der Radialgeschwindigkeitsmethode zu verbessern. Diese Methode besteht darin, die leichte Bewegung eines Sterns zu messen, die durch die Gravitationsanziehung eines Planeten in der Umlaufbahn um diesen Stern verursacht wird.
Je genauer man winzige Geschwindigkeitsänderungen eines Sterns messen kann, desto eher kann man Planeten mit geringer Masse aufspüren. Étienne Artigau und sein Team haben eine Radialgeschwindigkeitstechnik entwickelt, bei der das gesamte Spektrum des Sterns genutzt wird, statt wie bisher nur einige Teile davon, um Planeten mit so geringer Masse wie die Erde um kleine Sterne zu detektieren.
Angeregt durch den Erfolg dieser Technik hatte der Forscher die Idee, eine ähnliche Strategie anzuwenden, um nicht die Geschwindigkeitsänderungen der Sterne, sondern vielmehr deren Temperaturschwankungen zu bestimmen.
Diese Messung erweist sich als ebenso entscheidend für die Erforschung von Exoplaneten, die meistens indirekt durch die Beobachtung ihrer Sterne entdeckt werden. In den letzten Jahren hatten Astronomen Schwierigkeiten, in ihren Beobachtungen zwischen Phänomenen des Sterns und denen seiner Planeten zu unterscheiden. Dieses Problem betrifft sowohl die Entdeckung von Exoplaneten mit der Radialgeschwindigkeitsmethode als auch die Untersuchung ihrer Atmosphäre mittels Transitspektroskopie.
"Es ist sehr schwierig, die Existenz eines Exoplaneten zu bestätigen oder seine Atmosphäre zu untersuchen, ohne die Eigenschaften des Wirtssterns und seine zeitliche Variabilität genau zu kennen. Diese neue Technik bietet uns ein unschätzbares Werkzeug, um sicherzustellen, dass das Wissen, das wir über Exoplaneten erlangen, solide ist, und um in ihrer Charakterisierung weiter voranzukommen", sagt Charles Cadieux, Doktorand am iREx, der an der Studie mitgewirkt hat.
Unübertroffene Präzision
Die Oberflächentemperatur von Sternen ist eine grundlegende Eigenschaft, die Astronomen unbedingt messen möchten, da sie es ihnen ermöglicht, die Leuchtkraft und chemische Zusammensetzung der Sterne abzuleiten. Im besten Fall kann die genaue Temperatur eines Sterns mit einer Genauigkeit von etwa 20°C bestimmt werden.
Mit dieser neuen Technik geht es jedoch nicht um die exakten Temperaturen, sondern um deren zeitliche Variationen. Und diese lassen sich mit bemerkenswerter Präzision messen.
"Wir wissen möglicherweise nicht, ob der Stern 5000 oder 5020°C heiß ist, aber wir können feststellen, ob seine Temperatur um ein Grad oder sogar weniger gestiegen oder gesunken ist! Das hat noch niemand zuvor geschafft. Eine solche Temperaturänderung zu bestimmen, ist schon eine große Herausforderung beim menschlichen Körper, stellen Sie sich das erst mal für eine Gasblase mit tausenden von Grad vor, die Dutzende Lichtjahre entfernt ist!", freut sich Étienne Artigau.
Eine neue, effektive und vielseitige Technik
Um zu demonstrieren, dass ihre Technik funktioniert, nutzten die Astronomen Beobachtungen, die mit dem Spektrographen SPIRou (Kanada-Frankreich-Hawaii-Teleskop) und dem Spektrographen HARPS (3,6-Meter-Teleskop am ESO-Observatorium) gemacht wurden.
In den von diesen beiden Teleskopen erhaltenen Daten zu vier kleinen Sternen in der solaren Nachbarschaft kann das Team deutlich Temperaturänderungen erkennen, die sie teils der Rotation der Sterne, teils dem Geschehen an ihrer Oberfläche oder in ihrer Umgebung zuschreiben.
Das Astronomenteam beobachtete sehr große Temperaturschwankungen bei dem Stern AU Microscopii, der dafür bekannt ist, sehr aktiv zu sein, eine Staubscheibe zu besitzen und mindestens einen Planeten um sich kreisen zu haben (hier im Profil sichtbar).
Quelle: NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI)
Die neue Technik erlaubt die Messung großer Temperaturschwankungen. Für den Stern AU Microscopii, der für seine sehr große stellare Aktivität bekannt ist, verzeichnet das Team Schwankungen von fast 40°C.
Dank dieser Technik können sowohl sehr schnelle Veränderungen, wie die durch die Rotation innerhalb weniger Tage bei AU Microscopii oder Epsilon Eridani, als auch solche, die über viel längere Zeiträume stattfinden, erkannt werden – eine Leistung, die mit erdgebundenen Teleskopen sehr schwierig zu erreichen ist.
"Wir können Temperaturänderungen von wenigen Grad oder sogar weniger messen, die über sehr lange Zeiträume auftreten, zum Beispiel solche, die mit der Rotation des Barnard-Sterns zusammenhängen, eines sehr ruhigen Sterns, der sich innerhalb von fünf Monaten einmal um seine eigene Achse dreht", erklärt Étienne Artigau. "Um diese subtile und sehr langsame Veränderung zu messen, mussten wir damals auf Hubble zurückgreifen!"