Die Temperatur der Sterne messen

Astronomen untersuchen Sterne mithilfe der Spektroskopie, mit der sie das von ihnen ausgestrahlte Licht in allen Farben analysieren können. Ein Team unter der Leitung von Étienne Artigau, einem Forscher am Trottier Institute for Research on Exoplanets (iREx), hat eine Methode entwickelt, mit der sie die Temperaturschwankungen eines Sterns über verschiedene Zeitskalen auf das nächste Zehntel Grad Celsius genau aus seinem Spektrum ermitteln können.

„Indem wir die Temperatur von Sternen überwachen, können wir viel über sie lernen: ihre Rotationsperiode, ihre Sternaktivität, ihr Magnetfeld. Diese genaue Kenntnis der Sterne ist auch für die Suche und Erforschung ihrer Planeten von entscheidender Bedeutung“, erklärt der Forscher.

In einem Artikel, der demnächst erscheint in derAstronomisches JournalDie Wirksamkeit und große Vielseitigkeit der Technik werden durch Beobachtungen von vier sehr unterschiedlichen Sternen mit den Kanada-Frankreich-Hawaii-Teleskopen und dem 3,6-m-La-Silla-Teleskop demonstriert.

Kennen Sie die Sterne, um ihre Planeten zu kennen

Das Team untersuchte zunächst die Spektren von Sternen, um die Erkennung von Exoplaneten mithilfe der Velocimetrie-Methode zu verbessern. Bei dieser Methode werden die leichten Schwingungen eines Sterns gemessen, die durch die Gravitationskraft eines Planeten verursacht werden, der diesen Stern umkreist. Je mehr kleine Schwankungen in der Geschwindigkeit des Sterns gemessen werden können, desto mehr Planeten mit geringer Masse können erkannt werden. Étienne Artigau und sein Team haben eine Velocimetrie-Technik entwickelt, die das gesamte Spektrum des Sterns nutzt und nicht nur einige Teile, wie es bisher üblich war, um Planeten zu erkennen, die so wenig Masse wie die Erde um kleine Sterne haben.

Inspiriert durch die mit dieser Technik erzielten Erfolge kam der Forscher auf die Idee, mit einer ähnlichen Strategie nicht etwa Schwankungen der Geschwindigkeit von Sternen, sondern deren Temperaturschwankungen zu bestimmen.

Diese Messung ist ebenso wichtig für die Untersuchung von Exoplaneten, die meist indirekt beobachtet werden, indem man ihrem Stern genau folgt. In den letzten Jahren sind Astronomen auf die Schwierigkeit gestoßen, in ihren Beobachtungen den Stern von seinen Planeten zu unterscheiden. Dies ist sowohl ein Problem bei der Entdeckung von Exoplaneten mit der Velocimetrie-Methode als auch bei der Erforschung ihrer Atmosphäre mit der Transitspektroskopie-Methode.

„Es ist sehr schwierig, die Existenz eines Exoplaneten zu bestätigen oder seine Atmosphäre zu untersuchen, ohne die Eigenschaften seines Muttersterns und ihre zeitliche Veränderlichkeit genau zu kennen. Diese neue Technik bietet uns ein unschätzbar wertvolles Werkzeug, um sicherzustellen, dass unser Wissen über Exoplaneten fundiert ist und wir bei der Charakterisierung dieser Planeten noch weiter vorankommen können“, sagt Charles Cadieux, ein Doktorand bei iREx, der an der Studie mitgewirkt hat.

Unübertroffene Präzision

Die Oberflächentemperatur von Sternen ist eine grundlegende Eigenschaft, die Astronomen gerne messen, da sie Rückschlüsse auf die Leuchtkraft der Sterne und ihre chemische Zusammensetzung zulässt. Im besten Fall lässt sich die genaue Temperatur eines Sterns mit einer Genauigkeit von etwa 20 °C bestimmen.

Bei dieser neuen Technik sind wir nicht an den exakten Temperaturen interessiert, sondern an deren Variationen in der Zeit. Und wir können sie mit bemerkenswerter Präzision messen.

„Wir wissen nicht, ob der Stern 5000 oder 5020 °C heiß ist, aber wir können wissen, ob seine Temperatur um ein Grad oder weniger gestiegen oder gefallen ist! Das ist noch nie jemandem gelungen. Die Bestimmung dieser Art von Temperaturänderung ist bereits für den menschlichen Körper eine ziemliche Herausforderung, stellen Sie sich das also für eine Gaskugel mit Tausenden von Grad vor, die Dutzende von Lichtjahren entfernt ist!“, schwärmt Étienne Artigau.

Eine neue, effektive und vielseitige Technik

Um zu zeigen, dass ihre Technik funktioniert, nutzten die Astronomen Beobachtungen, die mit dem SPIRou-Spektrographen (Kanada-Frankreich-Hawaii-Teleskop) und dem HARPS-Spektrographen (3,6-Meter-Teleskop der Europäischen Südsternwarte) durchgeführt wurden.

In den von diesen beiden Teleskopen gewonnenen Daten von vier kleinen Sternen in der Nachbarschaft der Sonne kann das Team deutlich Temperaturschwankungen erkennen, die es mal auf die Rotation der Sterne, mal auf Vorgänge auf deren Oberfläche oder in der Umgebung zurückführt.

Mit der neuen Technik lassen sich große Temperaturschwankungen messen. Beim Stern AU Microscopii, der für seine sehr hohe Sternaktivität bekannt ist, verzeichnete das Team Schwankungen von fast 40 °C.

Mithilfe dieser Technik ist es möglich, sowohl sehr schnelle Veränderungen zu erkennen, wie sie etwa durch die Rotation von AU Microscopii oder Epsilon Eridani um sich selbst innerhalb weniger Tage verursacht werden, als auch Veränderungen, die sich auf einer viel längeren Skala ereignen, was mit erdgebundenen Teleskopen nur sehr schwer zu erreichen ist.

„Wir können Veränderungen von wenigen Grad oder weniger messen, die über sehr lange Zeiträume auftreten, zum Beispiel solche, die mit der Rotation von Barnards Stern zusammenhängen, einem sehr ruhigen Stern, der sich alle fünf Monate um sich selbst dreht“, sagt Étienne Artigau. „Um diese Variation zu messen, die subtil und sehr langsam ist, mussten wir Hubble zu der Zeit!”

Über diese Studie

Der Artikel „Measuring Sub-Kelvin Variations in Stellar Temperature with High-Resolution Spectroscopy“ erscheint in Kürze imAstronomisches JournalZum Team gehören neben Étienne Artigau und Charles Cadieux die Forscher Neil J. Cook und Romain Allart, Professor René Doyon, die Masterstudentin Laurie Dauplaise und die Praktikantin Maya Cadieux von iREx sowie sieben Co-Autoren aus den USA und Frankreich.