Entdecke die unscheinbaren Nachbarn der Sonne

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1 Entdecke die unscheinbaren Nachbarn der Sonne Ralf-Dieter Scholz Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam Milchstraße und die lokale Umgebung Tag der Wissenschaften am Weinberg-Gymnasium Kleinmachnow 14. November 2013

2 Milchstraße und die lokale Umgebung (von weitem) Richard Powell: atlasoftheuniverse.com 27 October 2011 R.-D. Scholz et AIP SAB 2

3 die nächsten Nachbarn im Galaktischen Maßstab (Zwerggalaxien) Richard Powell: atlasoftheuniverse.com 27 October 2011 R.-D. Scholz et AIP SAB 3

4 Die Milchstraße (unsere Heimatgalaxie) Richard Powell: atlasoftheuniverse.com 27 October 2011 R.-D. Scholz et AIP SAB 4

5 Die nahen Spiralarme Richard Powell: atlasoftheuniverse.com 27 October 2011 R.-D. Scholz et AIP SAB 5

6 Die Sterne in unmittelbarer Nachbarschaft der Sonne Erste Eigenbewegung Halley 1716 Erste Parallaxe Bessel 1838 = sehr lokale Umgebung Stand: März October 2011 R.-D. Scholz et AIP SAB 6

7 Vom Sonnensystem zum Nachbarstern schnellste (ca. 30 km/s) bisher gebaute Sonde ( New Horizons ) bräuchte ~43000 Jahre bis zum nächsten Stern! gewaltige Entfernungen zwischen den Sternen!

8 Der sichtbare Sternenhimmel zeigt nur wenige Sterne aus unserer Nachbarschaft. Dafür sind weit entfernte Riesensterne zu sehen. Rot leuchtend: Planet Mars Von unseren häufigsten Nachbarn den roten Zwergsternen ist kein einziger sichtbar!

9 Betelgeuse Procyon Rigel Sirius Sterne im Orion sind 100mal weiter entfernt als unsere Nachbarn Sirius & Prokyon!

10 Astronomen zieht es in die Wüste z.b. zur Europäischen Südsternwarte

11 Blick auf die Milchstraße von der Europäischen Südsternwarte (Paranal, Chile)

12 Blick auf die Milchstraße von der Europäischen Südsternwarte (Paranal, ( Chile Kleiner Ausschnitt einer Aufnahme der Milchstraße zeigt unscheinbaren roten Zwergstern: Proxima

13 Proxima Centauri der Stern in nächster Nähe ( Lichtjahre roter Zwergstern (Spektraltyp M5, Entfernung etwa 4 auf drei Archivaufnahmen: Blaufilter Infrarotfilter Rotfilter jede Aufnahme zeigt Himmelsauschnit von 2 mal 2 Bogenminuten Eigenbewegung von etwa 4 Bogensekunden pro Jahr!

14 Eigenbewegung der Sterne Bärenstrom - 5 Sterne Im Großen Wagen haben ~ gleiche Entfernung ~ gleiche Bewegung Großer Wagen = Teil des Sternbilds Großer Bär Vorstellung verschiedener Völker: Indianer: Bär mit Jungen Araber: Sarg und 3 Klageweiber Römer: 7 wandernde Ochsen Chinesen: großer Löffel

15 Winkelmessung am Himmel sphärisches Koordinatensystem (z.b. Äquatorialsystem): ( Grad ) 2 Winkelkoordinaten Rektaszension von 0 bis 24 Stunden bzw. 360 Deklination von 90 bis +90 ([ arcsec ] (Bogenminuten [arcmin]) = 3600 (Bogensekunden 60 = 1 3. Koordinate = Entfernung

16 Winkelmessung am Himmel sphärisches Koordinatensystem (z.b. Äquatorialsystem): ( Grad ) 2 Winkelkoordinaten Rektaszension von 0 bis 24 Stunden bzw. 360 Deklination von 90 bis +90 ([ arcsec ] (Bogenminuten [arcmin]) = 3600 (Bogensekunden 60 = 1 3. Koordinate = Entfernung

17 (Scheinbare) Größenverhältnisse am Himmel M31 Andromeda-Galaxie Mond (im gleichen ( M31 Abbildungsmaßstab wie Mond + Jupiter ( vergrößert ) M31: ~4, (1 =60 =3600 ) Mond: 30-34, Jupiter: max. 48

18 Von ca. 300 Milliarden Sternen der Galaxis sind nur ~2500 (teilweise sehr weit entfernte) Sterne mit bloßem Auge sichtbar und einige weit entfernte Sternhaufen, bis hin zum hellen Kern unserer großen Nachbar-Galaxie M31

19 (Tatsächliche) Größe unserer Sonne gegenüber bekannten Sternen

20 Größenvergleich von Riesensternen

21 Riesen, Zwerge... sagenhafte Welt der Sterne ( FHD ) Hertzsprung-Russel-Diagramm (HRD) bzw. Farben-Helligkeits-Diagramm hellste Sterne am Himmel: Fortsetzung: L T Y (neu!) ( Zwerge (braune

22 Riesen, Zwerge... sagenhafte Welt der Sterne ( FHD ) Hertzsprung-Russel-Diagramm (HRD) bzw. Farben-Helligkeits-Diagramm hellste Sterne am Himmel: rote Zwerge bilden aber die Mehrheit: ( eingezeichnet... Unterzwerge (nicht Fortsetzung: L T Y (neu!) ( Zwerge (braune

23 Die Schwierigkeit der Entfernungsmessung trigonometrische Parallaxe: ( 1 ) 1 Bogensekunde entspricht 1 pc Entfernung ( Lichtjahre 3.26)

24 Die Schwierigkeit der Entfernungsmessung trigonometrische Parallaxe: ( 1 ) 1 Bogensekunde entspricht 1 pc Entfernung ( Lichtjahre 3.26) Sternbewegung am Himmel: Eigenbewegung (linear) + ( Ellipse ) parallaktische Bewegung

25 Die Schwierigkeit der Entfernungsmessung trigonometrische Parallaxe: ( 1 ) 1 Bogensekunde entspricht 1 pc Entfernung ( Lichtjahre 3.26) Sternbewegung am Himmel: Eigenbewegung (linear) + ( Ellipse ) parallaktische Bewegung Problem: Messgenauigkeit: sehr kleine Winkel, Milli-Bogensekunden lange Messreihen (mehrere Jahre) notwendig um Eigenbewegung von Parallaxe zu trennen

26 Indiz für Nähe: große Eigenbewegung Eigenbewegung µ = scheinbare Bewegung an der Himmelssphäre [gemessen in º/Sekunde (Flugzeuge)] Geschwindigkeit [in km/h] ergibt sich bei bekannter Entfernung: v = 60 µ d [d in km]

27 Indiz für Nähe: große Eigenbewegung Eigenbewegung µ = scheinbare Bewegung an der Himmelssphäre [gemessen in º/Sekunde (Flugzeuge / ISS)] Geschwindigkeit [in km/h] ergibt sich bei bekannter Entfernung: v = 60 µ d [d in km] d = 5 km, v = 600 km/h d = 12 km, v = 870 km/h d = 390 km, v =28000 km/h μ = 2 º/Sekunde μ = 1 º/Sekunde μ = 1 º/Sekunde

28 Indiz für Nähe: große Eigenbewegung Eigenbewegung µ = scheinbare Bewegung an der Himmelssphäre [gemessen in /yr (Sterne)] Geschwindigkeit [in km/s] ergibt sich bei bekannter Entfernung von der Sonne: vtan = 5 µ d [d in pc] typische relative Geschwindigkeit der Sterne im lokalen Spiralarm (in der Scheibe) der Milchstraße ~ 40 km/s; Spiralarm dreht sich mit ~ 220 km/s um Galaktisches Zentrum

29 Indiz für Nähe: große Eigenbewegung Eigenbewegung µ = scheinbare Bewegung an der Himmelssphäre [gemessen in /yr (Sterne)] Geschwindigkeit [in km/s] ergibt sich bei bekannter Entfernung von der Sonne: vtan = 5 µ d [d in pc] typische relative Geschwindigkeit der Sterne im lokalen Spiralarm (in der Scheibe) der Milchstraße ~ 40 km/s; Spiralarm dreht sich mit ~ 220 km/s um Galaktisches Zentrum typischer Scheiben-Stern mit µ = 1 /yr liegt bei d ~ 8 pc Halo-Stern (~5x höhere Geschwindigkeit relativ zur Sonne) liegt bei d ~ 44 pc!

30 1976 Besuch aus dem Halo der Galaxis SSSPM J Am AIP entdeckter, extrem kühler Unterzwergstern mit einer großen Eigenbewegung von 3.5 /yr wahrscheinlich das z.z. nächste kühle Halo-Objekt historische Sternkarte aus der AIP-Bibliothek im Sternbild Waage

31 Verborgene Sternsysteme in unserer Nähe innerhalb von 5 pc: ( vollständig ) 44 Systeme Inzwischen wurden aber fünf neue Systeme entdeckt!!? innerhalb von 10 pc: 229 identifiziert ( 36% ) 130 unerkannt ( 1997 (Stand innerhalb von 25 pc: ~2000 bekannte Systeme ( 63% ) ~3500 verborgene? Annahmen: 1) gleichmäßige Verteilung 2) Vollständigkeit bis zu 5 pc

32 Was kümmern uns die Nachbarn? Detaillierte Untersuchung möglich Suche nach extra-solaren Planeten Entdeckung neuartiger leuchtschwacher Objekte (braune Zwerge!) vollständiges Bild über die Welt der Sterne

33 ( I ) Such-Werkzeuge für nahe Sterne und braune Zwerge Eigenbewegungs-Kataloge (z.b. Luyten Half Second = LHS) ( ) Willem Jacob Luyten bei visueller Suche nach Sternen mit großen Eigenbewegungen: Später mit automatischen Messmaschinen digitalisierte Photoplatten und Kataloge z.b. SuperCOSMOS Sky Surveys:

34 ( II ) Such-Werkzeuge für nahe Sterne und braune Zwerge + Himmelsdurchmusterungen im infraroten Licht, z.b. Two Micron All Sky Survey (2MASS) (IPAC/Caltech & University of Massachusetts) Neu (speziell für braune Zwerge): WISE = Wide- ( NASA ) field Infrared Survey Explorer

35 Fortschritt der letzten 12 Jahre lt. Datenbank des Research Consortium on Nearby Stars (RECONS):

36 Unterscheidung brauner Zwerge von Sternen Video:

37 Braune Zwerge = missratene Sterne Kritische Masse (0.08 Msonne) für Sterne nicht erreicht, deshalb keine Kernfusion von Wasserstoff zu Helium Braune Zwerge kühlen mit der Zeit stark ab, werden im optischen Licht fast unsichtbar und sehr rot. Spektrale Merkmale: Methan, Lithium, Im infraroten Licht erscheinen die kühlsten braunen Zwerge blau (2MASS) bzw. grün/gelb (WISE): Masse in Sonnenmassen: UGPS 4.1pc WISE ~5.7pc WISE 6.0pc

38 Temperatur an der Oberfläche Leben der Sterne, braunen Zwerge, Planeten ( 1 = (Sonne Masse 0.2 M massearme Sterne M-Zwerge, frühe L-Zwerge Y 1 Mio 10 Mio 100 Mio 1 Mrd 10 Mrd Alter [Jahre] Braune Zwerge Typ: M, L, T, Y Planeten Typ: M, L, T, Y,...

39 Die nächsten bekannten braunen Zwerge WISE J AB ε Indi Ba, Bb SCR J B 2.0 pc pc (K4-Stern-Begleiter) 3.85 pc (M8.5-Stern-Begleiter) entdeckt: 2013 (NEU!) entdeckt: 2003 und 2004 entdeckt: 2006

40 ( noch ) Das ε Indi-System liegt im Sternbild Indianer Sehr große Eigenbewegung (4.5 /yr) wechselt in einigen 1000 Jahren in das Sternbild Tukan! Historische Sternkarte (aus der Bibliothek des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam)

41 Zwerge Zwei weitere am AIP entdeckte nahe/ultrakühle braune Gemessene Eigenbewegung: ( J µ =2.5 arcsec/yr (WISE ( J µ =1.5 arcsec/yr (WISE

42 Neuer Stand (nach WISE-Auswertung 2012): 6 mal weniger braune Zwerge als Sterne

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44 Unsere neueste Enteckung : J WISE ein bisher (in 2MASS) übersehener (wegen Űberlappung mit Hintergrundstern) naher (~5pc) und kühler (T7.5) brauner Zwerg

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46 Fraktion der braunen Zwerge in der Milchstraße Sogar wenn ihre Anzahl doch noch an die von Sternen heranreichen sollte, bleibt ihre Gesamtmasse sehr gering. Damit können braune Zwerge kein wesentlicher Teil der gesuchten dunklen Materie sein. (RECONS)

47 Ist NEU: WISE J AB Proxima wirklich unser +B Hohe Dunkelziffer bei braunen Zwergen! nächster Nachbar?? Stand: August Ba, Bb

48 Hat die Sonne einen braunen Zwerg als Begleiter??

49 Helles Objekt nur von WISE aufgenommen: Tyche -Kandidat?? WISE (w1) 2MASS (J) WISE-Farben und Helligkeit brauner Zwerg (T5) in AE Entfernung?? Műsste dann aber in 2MASS (nur um Bogensekunden verschoben) zu sehen sein!! Lösung: eine neu-entdeckte Nova aus dem Jahr 2010