Mit Hilfe der besonderen Eigenschaften von Gammastrahlen-Teleskopen haben Forscher die Durchmesser ferner Sterne bestimmt. Die Messungen mit dem „Very Energetic Radiation Imaging System“ (VERITAS) liefern die Größe eines Riesensterns in 2674 Lichtjahren Entfernung und eines sonnenähnlichen Sterns in 700 Lichtjahren Distanz. Die Forscher um Tarek Hassan von DESY und Michael Daniel vom Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) stellen ihre Arbeit im Fachblatt „Nature Astronomy“ vor. Sie etabliert eine neue Methode zur Bestimmung von Sterndurchmessern und liefert die bislang kleinsten Winkeldurchmesser von Sternen am Firmament.

Nahezu jeder Stern am Nachthimmel ist selbst für die besten Teleskope zu weit entfernt, um seine Größe direkt zu bestimmen. Die Forscher nutzten daher ein optisches Phänomen namens Diffraktion, um die Sterndurchmesser zu bestimmen. Dieser Effekt lässt sich unter anderem beobachten, wenn ein Asteroid aus unserem Sonnensystem zufällig vor einem weit entfernten Stern vorbeiwandert. „Die extrem schwachen Schatten von Asteroiden ziehen jeden Tag über uns hinweg“, erläutert Hassan. „Dabei ist der Rand des Schattens jedoch nicht scharf. Stattdessen ist der zentrale Schatten umgeben von Lichtmustern, die an kleine Wasserwellen erinnern.“ Die Physik bezeichnet das als Beugungsmuster. Es lässt sich in jedem Schülerlabor mit Hilfe eines Lasers erzeugen, der auf eine scharfe Kante gerichtet wird.

Die Form des Musters erlaubt Rückschlüsse auf die Ausdehnung der Lichtquelle. Anders als das Beugungsmuster in einem Schülerlabor lässt sich das eines Sterns an einem Asteroiden jedoch nur sehr schwer messen. „Die Sternbedeckungen durch Asteroiden sind sehr schwer vorherzusagen“, sagt Daniel. „Und das Beugungsmuster lässt sich nur erkunden, in dem man schnelle Schnappschüsse macht, während der Schatten über das Teleskop wandert.“ Astronomen haben auf diese Weise bereits Sterne vermessen, die vorübergehend vom Mond bedeckt wurden. Das funktioniert ungefähr bis zu einer scheinbaren Größe, also einem Winkeldurchmesser, von einer tausendstel Bogensekunde. Zum Vergleich: So groß würde eine Zwei-Cent-Münze auf dem Pariser Eiffelturm von New York aus erscheinen.

Allerdings sind nicht viele Sterne am irdischen Himmel so groß. Um noch kleinere Winkeldurchmesser zu bestimmen, nutzte das Team Tscherenkowteleskope. Diese Instrumente sind darauf spezialisiert, das extrem kurze und schwache bläuliche Leuchten einzufangen, das entsteht, wenn ein energiereiches Teilchen oder Gammaquant aus dem Weltall auf die Erdatmosphäre trifft. Tscherenkowteleskope machen nicht die besten Bilder, aber dank ihrer großen Spiegelfläche, die gewöhnlich wie ein Insektenauge in sechseckige Einzelspiegel segmentiert ist, und ihrer leistungsfähigen Kameras sind sie besonders empfindlich für Lichtschwankungen - auch für solche von Sternenlicht.

Mit den VERITAS-Tscherenkowteleskopen am Fred-Lawrence-Whipple-Observatorium im US-Bundesstaat Arizona ist es dem Team gelungen, das Beugungsmuster des Sterns mit der Katalognummer TYC 5517-227-1 einzufangen, während er am 22. Februar 2018 vorübergehend vom 60 Kilometer großen Asteroiden Imprinetta bedeckt wurde. Mit den VERITAS-Teleskopen ließen sich 300 Bilder pro Sekunde aufnehmen, woraus sich das Helligkeitsprofil des Beugungsmusters mit großer Genauigkeit rekonstruieren ließ. Daraus ergab sich die scheinbare Größe des Sterns am Himmel, also sein Winkeldurchmesser, zu 0,125 tausendstel Bogensekunden. Zusammen mit der Entfernung von 2674 Lichtjahren ergibt das einen Durchmesser des Sterns, der elfmal so groß ist wie der unserer Sonne. Damit ließ sich der Stern der Klasse der Roten Riesen zuordnen, was zuvor nicht eindeutig geklärt war.

Die Forscher konnten drei Monate später zudem den Stern TYC 278-748-1 untersuchen, der am 22. Mai 2018 vom 88 Kilometer großen Asteroiden Penelope bedeckt wurde. Die Auswertung lieferte einen Winkeldurchmesser von 0,094 tausendstel Bogensekunden, was bei einer Entfernung von 700 Lichtjahren dem 2,17-fachen Sonnendurchmesser entspricht. Das deckt sich hervorragend mit einer früheren Schätzung für den Stern, die mit Hilfe indirekter Methoden auf 2,173 Sonnendurchmesser gekommen war.

„Dies ist der kleinste Winkeldurchmesser eines Sterns, der je gemessen worden ist“, betont Daniel. „Die Beobachtung von Sternbedeckungen durch Asteroiden mit Tscherenkowteleskopen liefert eine zehnmal bessere Auflösung als die Standardmethode bei Sternbedeckungen durch den Mond. Und sie ist mindestens doppelt so scharf wie interferometrische Größenmessungen.“ Die Messungenauigkeit der neuen Methode beträgt nach Angaben der Autoren gegenwärtig rund zehn Prozent. „Wir erwarten, dass sich das durch ein optimiertes Set-up deutlich verbessern lässt, etwa indem man die beobachteten Wellenlängen auf einen bestimmten Bereich einschränkt“, sagt Daniel. Da unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich gebeugt werden, verwischt das gemessene Beugungsmuster, wenn ein zu breiter Wellenlängenbereich aufgezeichnet wird.

„Unsere Pilotstudie etabliert eine neue Methode, um die Durchmesser von Sternen zu bestimmen“, fasst Hassan zusammen. Die Forscher schätzen, dass geeignete Teleskope mehr als eine Asteroiden-Sternbedeckung pro Woche beobachten könnten. „Da ein Stern umso kleiner erscheint, je weiter er entfernt ist, bedeutet eine Verbesserung der Winkelauflösung auch eine Erweiterung der Reichweite solcher Beobachtungen“, erläutert der DESY-Forscher. „Wir schätzen, dass sich mit unserer Methode noch Sterne in zehnmal größerer Entfernung analysieren lassen als mit der Mondbedeckungsmethode.“ Die Technik könne damit genug Daten liefern, um eine größere Zahl von Sternen in sogenannten Populationsstudien zu untersuchen. 

An der Arbeit waren das Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, die University of California in Los Angeles und in Santa Cruz, die Columbia University in New York, die Universität Potsdam, die Iowa State University, die Purdue University, die University of Minnesota, die California State University, die National University of Ireland in Galway, die McGill University in Montreal, die University of Delaware, die University of Iowa, die University of Utah, die DePauw University in Greencastle, das University College Dublin, die University of Wisconsin-Madison, das Cork Institute of Technology, die University of Alabama, die University of Chicago, die Universidad Complutense de Madrid, die University of Durham und DESY beteiligt.

 

Originalveröffentlichung:
Direct measurement of stellar angular diameters by the VERITAS Cherenkov Telescopes; W. Benbow, R. Bird, A. Brill, R. Brose, A. J. Chromey, M. K. Daniel, Q. Feng, J. P. Finley, L. Fortson, A. Furniss, G. H. Gillanders, C. Giuri, O. Gueta, D. Hanna, J. Halpern, T. Hassan, J. Holder, G. Hughes, T. B. Humensky, A. M. Joyce, P. Kaaret, P. Kar, N. Kelley-Hoskins, M. Kertzman, D. Kieda, M. Krause, M. J. Lang, T. T.Y. Lin, G. Maier, N. Matthews, P. Moriarty, R. Mukherjee, D. Nieto, M. Nievas-Rosillo, S. O’Brien, R. A. Ong, N. Park, A. Petrashyk, M. Pohl, E. Pueschel, J. Quinn, K. Ragan, P. T. Reynolds, G. T. Richards, E. Roache, C. Rulten, I. Sadeh, M. Santander, G. H. Sembroski, K. Shahinyan, I. Sushch, S. P. Wakely, R. M. Wells, P. Wilcox, A. Wilhelm, D. A. Williams, T. J. Williamson; „Nature Astronomy“, 2019; DOI: 10.1038/s41550-019-0741-z