Die Oberflächen sehr weit von der Erde entfernter Sterne waren bisher auch mit den größten Teleskopen nur als Lichtpunkte sichtbar. Nun ist es Wissenschaftlern des Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) gelungen, erste Aufnahmen der Struktur des Magnetfelds auf der Oberfläche eines weit entfernten Sterns zu dokumentieren. Mithilfe des Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instruments (PEPSI) am Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona konnten sie ein sogenanntes Zeeman-Doppler-Image (ZDI) von der Oberfläche des Sterns II Pegasi machen. II Pegasi ist ein Doppelstern im Sternbild Pegasus, 130 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Um derartige Bilder machen zu können, ist eine spezielle Technik, das Doppler-Imaging (DI) oder Dopplertomographie nötig. Dazu braucht man einen hochauflösenden Spektrographen – meist ein großes Teleskop – sehr viel Beobachtungszeit und eine ausgeklügelte Analysesoftware. „Jede Linie im Spektrum eines Sterns kann als komprimiertes, eindimensionales Bild der Sternoberfläche betrachtet werden, die wenn der Stern rotiert, durch den Doppler-Effekt verbreitert wird“, heißt es in der Studie der Forscher, die in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde. „Hat ein Stern auf seiner Oberfläche Flecken, analog zu den Sonnenflecken auf unserer Sonne, werden diese durch den Doppler-Effekt verbreiterte Spektrallinien verformt.“

PEPSI

Das Magnetfeld des Sterns II Pegasi. Gezeigt ist die Extrapolation des Magnetfeldes auf 2,2 Sternradien. Offene Feldlinien werden farbig dargestellt (Magenta: negative Polarität, grün: positive Polarität, geschlossene Schleifen sind weiß). © AIP

Stehen dann mehrere Aufnahmen dieser Spektrallinien während einer kompletten Sternumdrehung zur Verfügung, kann eine zweidimensionale Temperatur- (oder Helligkeits-) Karte erstellt werden. Diese Methode ist mit der Kernspintomographie in der Medizin vergleichbar.

PEPSI polarisiert

PEPSI kann aber noch mehr. Da seine beiden Polarimeter auch polarisiertes Licht an den Spektrographen abgeben, kann es auch den Einfluss des ansonsten versteckten Zeeman-Effekts erfassen. Unter Zeeman-Effekt versteht man die Aufspaltung und Polarisation von Spektrallinien durch ein externes Magnetfeld. Mit einer Kombination aus Zeeman-Effekt und Doppler-Effekt ist es dann möglich, die Oberflächen-Magnetfeldgeometrie eines Sterns zu rekonstruieren. Diese Kartographie in polarisiertem Licht wird Zeeman-Doppler-Imaging (ZDI) genannt.

Dank dieser Technik ist es einem Team von Astronomen des AIP mit PEPSI-Beobachtungen am Large Binocular Telescope gelungen, eine einmalige Serie hochaufgelöster polarisierter Spektren des rotierenden Sterns II Pegasi aufzuzeichnen. „Der Stern hat eine Rotationsdauer von 6,7 Tagen, weswegen er sich in Hinblick auf die benötigte Beobachtungszeit am LBT eignet,“ sagt der Autor der Studie und Projektleiter von PEPSI, Prof. Dr. Klaus Strassmeier vom AIP. „Und mit sieben aufeinanderfolgenden klaren Nächten hatten wir außerdem sehr viel Glück,“ ergänzt Dr. Ilya Ilyin, Wissenschaftler im PEPSI Projekt.

Analysiert wurden die Beobachtungen mit iMap, einer am AIP entwickelten Software für hochaufgelöste Spektrallinienprofile. Überraschend kam für die Wissenschaftler dabei, dass sowohl warme als auch kalte Sonnenflecken rekonstruiert wurden, die mit umgekehrter Polung erschienen. „Die warmen Bereiche des Sterns zeigen eine positive Polung, während die meisten kalten Stellen eine negative oder gemischte Polung vorweisen,“ sagt iMap-Projektleiter Dr. Thorsten Carroll.

PEPSI

Darstellung des Doppler-Effekts von II Pegasi. © AIP

Die Fleckenverteilung habe keine direkte Entsprechung auf der Sonne, sagen die Forscher. Die einzelnen Flecken erschienen vergleichsweise riesig, rund tausendmal größer als die Flecken auf unserer Sonne. „Wir erklären die koexistierenden warmen Flecken auf II Peg mit dem Erhitzen durch eine Schockfront im Plasmafluss zwischen Regionen unterschiedlicher Polarität“, fasst Strassmeier zusammen.

 

PEPSI

Zeeman-Doppler-Imaging von II Pegasi. © AIP

„PEPSI ist sowohl als Spektrograph als auch als Spektropolarimeter einzigartig in der heutigen Welt astronomischer Instrumente und wird bedeutende Beiträge zur Sternphysik leisten”, fügt Christian Veillet, Direktor des LBT Observatory, hinzu. “Die Notwendigkeit, die Sterne, die Exoplaneten beherbergen, sowie die Planeten selbst durch Transitbeobachtungen zu charakterisieren, wird PEPSI zu einem gefragten Instrument für die Mitglieder der LBT-Gemeinschaft machen.“

Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam

Im Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) befasst man sich mit astrophysikalischen Fragen – von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos. Schwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science.

Das AIP führt seinen Forschungsauftrag im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

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