Verwenden Sie Asteroiden, um die Größe entfernter Sterne zu messen

Von Asteroiden geworfene Schatten bilden die Grundlage einer aufregenden neuen Methode, mit der Astronomen die Größe ferner Sterne bestimmen können

Wenn ein Asteroid vor einem Stern vorbeikommt, kann das resultierende Beugungsmuster (hier stark übertrieben) die Winkelgröße des Sterns offenbaren (DESY, Lucid Berlin)

Die einzigartigen Fähigkeiten von Teleskopen zur Erfassung kosmischer Gammastrahlen wurden von Wissenschaftlern genutzt, um die kleinste scheinbare Größe eines Sterns am Nachthimmel zu messen.

Die Messungen, die mit dem Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) durchgeführt wurden, zeigen die Durchmesser eines 2674 Lichtjahre entfernten Riesensterns und eines sonnenähnlichen Sterns in einer Entfernung von 700 Lichtjahren.

Die Studie stellt eine aufregende neue Methode für Astronomen zur Bestimmung der Größe von Sternen dar. Das internationale Team unter der Leitung von Tarek Hassan von DESY und Michael Daniel vom Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) berichtet in der Zeitschrift Nature Astronomy.

Da die meisten Sterne zu weit entfernt sind, um von den besten optischen Teleskopen aufgelöst zu werden, verwendete das Team ein optisches Phänomen namens Beugung, um den Durchmesser des Sterns zu messen.

Dieser Effekt nutzt die Wellennatur des Lichts, das sichtbar ist, wenn ein Objekt, beispielsweise ein Asteroid, vor einem Stern vorbeizieht.

Hassan erklärt: „Die unglaublich schwachen Schatten von Asteroiden ziehen jeden Tag über uns hinweg. Aber der Rand ihres Schattens ist nicht perfekt scharf. Stattdessen umgeben Lichtfalten den zentralen Schatten wie Wasserwellen. “

Dieses optische Phänomen ist als Beugungsmuster bekannt, das in Schullabors auf der ganzen Welt einfach durch Zielen eines Lasers auf eine scharfe Kante reproduziert wird. Die Form des resultierenden Musters kann die Winkelgröße der Lichtquelle offenbaren. Anders als im Schullabor ist das Beugungsmuster eines Sterns, der von einem Asteroiden verdeckt wird, jedoch sehr schwer zu messen.

Daniel fährt fort: „Diese Asteroiden-Bedeckungen sind schwer vorherzusagen. Die einzige Möglichkeit, das Beugungsmuster zu erfassen, besteht darin, sehr schnelle Schnappschüsse zu machen, wenn der Schatten über das Teleskop streicht. “

Astronomen haben zuvor eine ähnliche Technik angewendet, um die Winkelgröße der vom Mond verdeckten Sterne zu messen. Diese Methode funktioniert bis zu Winkeldurchmessern von etwa einer Millisekunde - ungefähr der scheinbaren Größe einer Zwei-Cent-Münze auf dem Eiffelturm in Paris, von New York aus gesehen.

Allerdings haben nicht viele Sterne am Himmel diese scheinbare Größe.

Um auch kleinere Winkeldurchmesser aufzulösen, setzte das Team Cherenkov-Teleskope ein - Instrumente, die normalerweise auf das extrem kurze und schwache bläuliche Leuchten achten, das energiereiche Partikel und Gammastrahlen erzeugen, wenn sie die Erdatmosphäre passieren.

Cherenkov-Teleskope liefern möglicherweise nicht die besten optischen Bilder, aber dank ihrer riesigen Spiegelfläche, die ähnlich wie das Auge eines Insekts segmentiert ist, reagieren sie äußerst empfindlich auf schnelle Lichtveränderungen. Das schließt Sternenlicht ein.

VERITAS-Teleskope (Chicago University)

Mit Hilfe der vier großen VERITAS-Teleskope am Fred Lawrence Whipple Observatory in Arizona konnte das Team das Beugungsmuster des Sterns TYC 5517–227–1, der am 22. Februar 2018 vom 60 Kilometer langen Asteroiden Imprinetta verdeckt wurde, deutlich erkennen .

Mit den VERITAS-Teleskopen, mit denen das Team 300 Schnappschüsse pro Sekunde aufnehmen konnte, konnten sie das Helligkeitsprofil des Beugungsmusters mit hoher Genauigkeit rekonstruieren. Dies führte zu einem Winkel- oder scheinbaren Durchmesser des Sterns von 0,125 Millisekunden. Zusammen mit seiner Entfernung von 2674 Lichtjahren - was bedeutet, dass der wahre Durchmesser des Sterns das Elffache unseres Sonnendurchmessers beträgt.

Dies ermöglichte es den Astronomen, den Stern - dessen Klasse bis dahin zweideutig war - als roten Riesenstern zu klassifizieren.

Die Forscher wiederholten das Kunststück drei Monate später am 22. Mai 2018, als ein Asteroid Penelope mit einem Durchmesser von 88 Kilometern den Stern TYC 278–748–1 bedeckte.

Diese zweite Reihe von Messungen ergab eine Messung mit einer Winkelgröße von 0,094 Millisekunden und einem wahren Durchmesser, der das 2,17-fache unseres Sonnendurchmessers beträgt. Bei dieser Gelegenheit war das Team in der Lage, den Durchmesser mit einer früheren Schätzung zu vergleichen, die auf anderen Merkmalen beruhte - deren Durchmesser das 2,173-fache des Sonnendurchmessers betrug. Die beiden Messreihen bestätigten sich also in beeindruckendem Maße - auch wenn die frühere Schätzung nicht auf einer direkten Messung beruhte.

Daniel fährt fort: „Dies ist die kleinste Winkelgröße eines Sterns, die jemals direkt gemessen wurde.

„Das Profilieren von Asteroidenbedeckungen von Sternen mit Cherenkov-Teleskopen liefert eine zehnmal bessere Auflösung als die Standardmethode der Mondbedeckung. Außerdem ist es mindestens doppelt so scharf wie die verfügbaren interferometrischen Größenmessungen. “

Daniel weist darauf hin, dass der nächste Schritt für das Team darin besteht, die Messunsicherheit zu verbessern: „Wir gehen davon aus, dass dies durch eine Optimierung des Setups, beispielsweise durch eine Verringerung der Wellenlänge der aufgezeichneten Farben, deutlich verbessert werden kann. Da unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich gebeugt werden, wird das Muster verwischt, wenn zu viele Farben gleichzeitig aufgenommen werden. “

Die Wissenschaftler schätzen, dass mit geeigneten Teleskopen mehr als eine Asteroidenbedeckung pro Woche beobachtet werden kann. Hassan fasst zusammen: „Unsere Pilotstudie etabliert eine neue Methode zur Bestimmung des wahren Durchmessers von Sternen. Da derselbe Stern umso kleiner aussieht, je weiter er entfernt ist, bedeutet die Verschiebung zu kleineren Winkeldurchmessern auch die Erweiterung des Beobachtungsbereichs

„Wir schätzen, dass mit unserer Methode Sterne bis zu zehnmal so weit entfernt analysiert werden können, wie es die Standardmethode der Mondbedeckung zulässt. Insgesamt kann die Technik genügend Daten für Bevölkerungsstudien liefern. “

Originalstudie: Naturastronomie, 2019; DOI: 10.1038 / s41550–019–0741-z