Inzwischen haben Sie wahrscheinlich gehört, dass Astronomen die erste globale Wetterkarte für einen Braunen Zwerg erstellt haben. (Wenn Sie dies nicht tun, finden Sie die Geschichte hier.) Möglicherweise haben Sie sogar das Würfelmodell oder das Origami-Ballonmodell der Oberfläche des Braunen Zwergs Luhman 16B gebaut, den die Forscher (hier) bereitgestellt haben.
Da einer meiner Hüte der des Informationsbeauftragten des Max-Planck-Instituts für Astronomie ist, an dem der größte Teil der Kartenerstellung stattfand, war ich an der Erstellung einer Pressemitteilung über das Ergebnis beteiligt. Aber ein Aspekt, den ich besonders interessant fand, wurde dort nicht viel behandelt. Es ist so, dass diese besondere Forschung ein gutes Beispiel dafür ist, wie schnell die Astronomie heutzutage sein kann, und allgemeiner zeigt sie, wie astronomische Forschung funktioniert. Hier ist ein Blick hinter die Kulissen - ein Making-of, wenn Sie so wollen - für die erste Karte der Oberfläche des Braunen Zwergs (siehe Bild rechts).
Wie in anderen Wissenschaften müssen Sie, wenn Sie ein erfolgreicher Astronom sein möchten, etwas Neues tun und über das bisherige hinausgehen. Darum geht es schließlich bei publizierbaren neuen Ergebnissen. Manchmal wird ein solcher Fortschritt dadurch verursacht, dass größere Teleskope und empfindlichere Instrumente verfügbar werden. Manchmal geht es um Mühe und Geduld, z. B. darum, eine große Anzahl von Objekten zu untersuchen und aus den gewonnenen Daten Schlussfolgerungen zu ziehen.
Einfallsreichtum spielt eine wichtige Rolle. Stellen Sie sich die von Astronomen entwickelten Teleskope, Instrumente und Analysemethoden als Werkzeuge in einem ständig wachsenden Werkzeugkasten vor. Eine Möglichkeit, neue Ergebnisse zu erzielen, besteht darin, diese Werkzeuge auf neue Weise zu kombinieren oder auf neue Objekte anzuwenden.
Deshalb ist unsere Eröffnungsszene nichts Besonderes in der Astronomie: Sie zeigt Ian Crossfield, Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie, und eine Reihe von Kollegen (einschließlich Institutsleiter Thomas Henning) Anfang März 2013, die über die Möglichkeit diskutieren Anwendung einer bestimmten Methode zur Abbildung von Sternoberflächen auf eine Klasse von Objekten, die noch nie zuvor auf diese Weise abgebildet wurden.
Die Methode wird als Doppler-Bildgebung bezeichnet. Es nutzt die Tatsache, dass das Licht eines rotierenden Sterns in seiner Frequenz leicht verschoben wird, wenn sich der Stern dreht. Während verschiedene Teile der Sternoberflächen vorbeiziehen und durch die Rotation des Sterns herumgewischt werden, variieren die Frequenzverschiebungen geringfügig, je nachdem, wo sich der lichtemittierende Bereich auf dem Stern befindet. Aus diesen systematischen Variationen kann eine ungefähre Karte der Sternoberfläche rekonstruiert werden, die dunklere und hellere Bereiche zeigt. Sterne sind viel zu weit entfernt, als dass selbst die größten aktuellen Teleskope Oberflächendetails erkennen könnten. Auf diese Weise kann eine Oberflächenkarte indirekt rekonstruiert werden.
Die Methode selbst ist nicht neu. Das Grundkonzept wurde in den späten 1950er Jahren erfunden, und in den 1980er Jahren wurden verschiedene Anwendungen auf helle, langsam rotierende Sterne angewendet. Astronomen verwendeten Doppler-Bildgebung, um die Flecken dieser Sterne abzubilden (dunkle Flecken auf einer Sternoberfläche; das Sternanalogon zu Sonnenflecken).
Crossfield und seine Kollegen fragten sich: Könnte diese Methode auf einen Braunen Zwerg angewendet werden - einen Vermittler zwischen Planet und Stern, massereicher als ein Planet, aber mit unzureichender Masse, damit sich die Kernfusion im Kern des Objekts entzünden und ihn in einen Stern verwandeln kann? Leider haben einige schnelle Berechnungen unter Berücksichtigung der Möglichkeiten und Eigenschaften aktueller Teleskope und Instrumente sowie der Eigenschaften bekannter Brauner Zwerge gezeigt, dass dies nicht funktionieren würde.
Die verfügbaren Ziele waren zu schwach, und die Doppler-Bildgebung benötigt viel Licht: Zum einen, weil Sie das verfügbare Licht in die unzähligen Farben eines Spektrums aufteilen müssen und auch, weil Sie viele verschiedene, eher kurze Messungen durchführen müssen - schließlich Sie müssen überwachen, wie sich die durch den Doppler-Effekt verursachten subtilen Frequenzverschiebungen im Laufe der Zeit ändern.
So weit, so gewöhnlich. Die meisten Diskussionen darüber, wie Beobachtungen eines völlig neuen Typs gemacht werden können, kommen wahrscheinlich zu dem Schluss, dass dies nicht möglich ist - oder nicht möglich ist noch. In diesem Fall tauchte jedoch ein weiterer Treiber des astronomischen Fortschritts auf: die Entdeckung neuer Objekte.
Am 11. März kündigte Kevin Luhman, ein Astronom an der Penn State University, eine bedeutende Entdeckung an: Mithilfe von Daten aus dem WISE (Wide Field Infrared Survey Explorer) der NASA hatte er ein System von zwei Braunen Zwergen identifiziert, die sich gegenseitig umkreisen. Bemerkenswerterweise befand sich dieses System nur 6,5 Lichtjahre von der Erde entfernt. Nur das Alpha Centauri-Sternensystem und Barnards Stern sind näher an der Erde. Tatsächlich war Barnards Stern das letzte Mal, dass ein Objekt so nahe an unserem Sonnensystem entdeckt wurde - und diese Entdeckung wurde 1916 gemacht.
Moderne Astronomen sind nicht dafür bekannt, bissige Namen zu finden, und das neue Objekt, das als WISE J104915.57-531906.1 bezeichnet wurde, war keine Ausnahme. Um fair zu sein, ist dies kein richtiger Name. Es ist eine Kombination des Entdeckungsinstruments WISE mit den Systemkoordinaten am Himmel. Später wurde die alternative Bezeichnung „Luhman 16AB“ für das System vorgeschlagen, da dies die 16 warth von Kevin Luhman entdecktes Binärsystem, wobei A und B die beiden Komponenten des Binärsystems bezeichnen.
Heutzutage bietet das Internet der astronomischen Gemeinschaft sofortigen Zugang zu neuen Entdeckungen, sobald diese angekündigt werden. Viele, wahrscheinlich die meisten Astronomen, beginnen ihren Arbeitstag mit dem Durchsuchen der jüngsten Beiträge zu astro-ph, dem astrophysikalischen Teil von arXiv, einem internationalen Archiv wissenschaftlicher Arbeiten. Mit wenigen Ausnahmen - einige Zeitschriften bestehen zumindest für eine Weile auf exklusiven Veröffentlichungsrechten - erhalten Astronomen hier in den meisten Fällen einen ersten Einblick in die neuesten Forschungsarbeiten ihrer Kollegen.
Luhman veröffentlichte am 11. März seine Arbeit „Entdeckung eines binären braunen Zwergs bei 2 Parsecs von der Sonne“ auf astro-ph. Für Crossfield und seine Kollegen bei MPIA war dies ein Meilenstein. Plötzlich war hier ein Brauner Zwerg, für den die Doppler-Bildgebung möglicherweise funktionieren und die erste Oberflächenkarte eines Braunen Zwergs liefern könnte.
Es würde jedoch immer noch die Lichtsammelkraft eines der größten Teleskope der Welt erfordern, um dies zu erreichen, und die Beobachtungszeit für solche Teleskope ist sehr gefragt. Crossfield und seine Kollegen entschieden, dass sie einen weiteren Test anwenden mussten, bevor sie sich bewerben würden. Jedes Objekt, das für die Doppler-Bildgebung geeignet ist, flackert ganz leicht und wird wiederum etwas heller und dunkler, wenn hellere oder dunklere Oberflächen sichtbar werden. Flackerte Luhman 16A oder 16B - astronomisch gesprochen: zeigte einer von ihnen oder vielleicht beide eine hohe Variabilität?
Die Astronomie hat ihre eigenen Zeitskalen. Die Kommunikation über das Internet ist schnell. Wenn Sie jedoch eine neue Idee haben, können Sie normalerweise nicht einfach auf den Einbruch der Nacht warten und Ihr Teleskop entsprechend ausrichten. Sie müssen einen Beobachtungsvorschlag annehmen lassen, und dieser Vorgang dauert einige Zeit - normalerweise zwischen einem halben und einem Jahr zwischen Ihrem Vorschlag und den tatsächlichen Beobachtungen. Auch die Bewerbung ist alles andere als eine Formalität. Große Einrichtungen wie die Very Large Telescopes des European Southern Observatory oder Weltraumteleskope wie das Hubble erhalten in der Regel Anträge für mehr als das Fünffache der tatsächlich verfügbaren Beobachtungszeit.
Es gibt jedoch eine Abkürzung - eine Möglichkeit, besonders vielversprechende oder zeitkritische Beobachtungsprojekte viel schneller abzuschließen. Dies wird als "Ermessensspielraum des Direktors" bezeichnet, da der Direktor des Observatoriums - oder ein Stellvertreter - berechtigt ist, diesen Teil der Beobachtungszeit nach eigenem Ermessen zu verteilen.
Am 2. April beantragte Beth Biller, eine weitere Post-Doc des MPIA (sie ist jetzt an der Universität von Edinburgh), am MPG / ESO-2,2-m-Teleskop am La Silla-Observatorium der ESO in Chile die Ermessenszeit des Direktors. Der Vorschlag wurde am selben Tag angenommen.
Billers Vorschlag war, Luhman 16A und 16B mit einem Instrument namens GROND zu studieren. Das Instrument wurde entwickelt, um das Nachleuchten starker, entfernter Explosionen zu untersuchen, die als Gammastrahlenausbrüche bekannt sind. Mit gewöhnlichen astronomischen Objekten können sich Astronomen Zeit lassen. Diese Objekte werden sich in den wenigen Stunden, in denen ein Astronom Beobachtungen macht, nicht wesentlich ändern. Zuerst wird ein Filter verwendet, um einen Wellenlängenbereich zu erfassen (denken Sie an „Licht einer Farbe“), dann ein weiterer Filter für einen anderen Wellenlängenbereich. (Astronomische Bilder erfassen normalerweise jeweils einen Wellenlängenbereich - eine Farbe -. Wenn Sie ein Farbbild betrachten, ist dies normalerweise das Ergebnis einer Reihe von Beobachtungen, jeweils ein Farbfilter.)
Gammastrahlenexplosionen und andere vorübergehende Phänomene sind unterschiedlich. Ihre Eigenschaften können sich auf einer Zeitskala von Minuten ändern, so dass keine Zeit für aufeinanderfolgende Beobachtungen bleibt. Deshalb ermöglicht GROND die gleichzeitige Beobachtung von sieben verschiedenen Farben.
Biller hatte vorgeschlagen, die einzigartige Fähigkeit von GROND zu nutzen, um Helligkeitsschwankungen für Luhman 16A und 16B gleichzeitig in sieben verschiedenen Farben aufzuzeichnen - eine Art Messung, die in diesem Maßstab noch nie zuvor durchgeführt worden war. Die simultansten Informationen, die Forscher von einem Braunen Zwerg erhalten hatten, waren bei zwei verschiedenen Wellenlängen (Arbeiten von Esther Buenzli, damals am Steward Observatory der Universität von Arizona, und Kollegen). Biller wollte sieben. Da leicht unterschiedliche Wellenlängenregime Informationen über Gas in leicht unterschiedlichen Farben enthalten, versprachen solche Messungen Einblicke in die Schichtstruktur dieser Braunen Zwerge - mit unterschiedlichen Temperaturen, die unterschiedlichen atmosphärischen Schichten in unterschiedlichen Höhen entsprechen.
Für Crossfield und seine Kollegen - darunter auch Biller - sollte eine solche Messung von Helligkeitsschwankungen auch zeigen, ob einer der Braunen Zwerge ein guter Kandidat für die Doppler-Bildgebung war oder nicht.
Wie sich herausstellte, mussten sie nicht einmal so lange warten. Eine Gruppe von Astronomen um Michaël Gillon hatte das kleine Roboterteleskop TRAPPIST, das Exoplaneten anhand der Helligkeitsschwankungen erkennen soll, die sie beim Übergang zwischen ihrem Wirtsstern und einem Beobachter auf der Erde verursachen, auf Luhman 16AB gerichtet. Am selben Tag, an dem Biller die Beobachtung der Zeit beantragt hatte und ihr Antrag genehmigt wurde, veröffentlichte die TRAPPIST-Gruppe einen Artikel mit dem Titel „Sich schnell entwickelndes Wetter für den kühlsten unserer beiden neuen substellaren Nachbarn“, in dem Helligkeitsschwankungen für Luhman 16B aufgezeichnet wurden.
Diese Nachricht traf Crossfield Tausende von Meilen von zu Hause entfernt. Bei einigen astronomischen Beobachtungen müssen Astronomen ihre gemütlichen Büros nicht verlassen. Der Vorschlag wird an die Astronomen eines der großen Teleskope gesendet, die die Beobachtungen vornehmen, sobald die Bedingungen stimmen, und die Daten über das Internet zurücksenden. Bei anderen Arten von Beobachtungen müssen Astronomen jedoch zu jedem verwendeten Teleskop reisen - beispielsweise nach Chile oder nach Hawaii.
Als die Helligkeitsschwankungen für Luhman 16B angekündigt wurden, beobachtete Crossfield in Hawaii. Er und seine Kollegen stellten sofort fest, dass Luhman 16B angesichts der neuen Ergebnisse von einem möglichen Kandidaten für die Doppler-Bildgebungstechnik zu einem vielversprechenden geworden war. Auf dem Flug von Hawaii zurück nach Frankfurt schrieb Crossfield schnell einen dringenden Beobachtungsvorschlag für die Diskretionäre Zeit des Direktors für CRIRES, einen Spektrographen, der auf einem der 8-Meter-Very Large Telescopes (VLT) am Paranal-Observatorium der ESO in Chile installiert war, und reichte seinen Antrag im April ein 5. Fünf Tage später wurde der Vorschlag angenommen.
Am 5. Mai wandte sich der riesige 8-Meter-Spiegel von Antu, einem der vier Einheitenteleskope des Very Large Telescope, dem südlichen Sternbild Vela (dem „Segel des Schiffes“) zu. Das gesammelte Licht wurde in CRIRES geleitet, einen hochauflösenden Infrarotspektrographen, der zur besseren Empfindlichkeit auf etwa -200 Grad Celsius (-330 Fahrenheit) abgekühlt wird.
Drei bzw. zwei Wochen zuvor hatten Billers Beobachtungen reichhaltige Daten über die Variabilität der beiden Braunen Zwerge in den beabsichtigten sieben verschiedenen Wellenlängenbändern geliefert.
Zu diesem Zeitpunkt waren zwischen der ursprünglichen Idee und den Beobachtungen nicht mehr als zwei Monate vergangen. Um Edisons berühmten Spruch zu paraphrasieren: Beobachtungsastronomie ist 1% Beobachtung und 99% Bewertung, da die Rohdaten analysiert, korrigiert und mit Modellen und Schlussfolgerungen über die Eigenschaften der beobachteten Objekte verglichen werden.
Für Beth Billers Mehrwellenlängenüberwachung von Helligkeitsschwankungen dauerte dies etwa fünf Monate. Anfang September reichten Biller und 17 Mitautoren, Crossfield und zahlreiche andere MPIA-Kollegen, ihren Artikel bei der Astrophysical Journal Letters (ApJL) Nach einigen Überarbeitungen wurde es am 17. Oktober angenommen. Ab dem 18. Oktober waren die Ergebnisse online unter astro-ph verfügbar und einen Monat später wurden sie auf der ApJL-Website veröffentlicht.
Ende September hatten Crossfield und seine Kollegen ihre Doppler-Bildanalyse der CRIRES-Daten abgeschlossen. Die Ergebnisse einer solchen Analyse sind niemals 100% sicher, aber die Astronomen hatten die wahrscheinlichste Struktur der Oberfläche von Luhman 16B gefunden: ein Muster aus helleren und dunkleren Flecken; Wolken aus Eisen und anderen Mineralien treiben auf Wasserstoffgas.
Wie im Feld üblich, der Text, den sie an die Zeitschrift übermittelt haben Natur wurde an einen Schiedsrichter geschickt - einen Wissenschaftler, der anonym bleibt und den Herausgebern der Zeitschrift Empfehlungen gibt, ob ein bestimmter Artikel veröffentlicht werden soll oder nicht. Selbst für einen Artikel, den der Schiedsrichter für veröffentlicht hält, hat er meistens Verbesserungsvorschläge. Nach einigen Überarbeitungen Natur akzeptierte das Crossfield et al. Artikel Ende Dezember 2013.
Mit NaturSie dürfen die endgültige, überarbeitete Version nur mindestens 6 Monate nach der Veröffentlichung im Journal auf astro-ph oder ähnlichen Servern veröffentlichen. Während einige Kollegen am 9. Januar auf einer Sitzung des 223. Treffens der American Astronomical Society in Washington, DC, für die breitere astronomische Gemeinschaft, der Online-Veröffentlichung am 29. Januar 2014, von der Karte der Braunen Zwerge gehört haben , wird der erste Blick auf dieses neue Ergebnis gewesen sein. Und Sie können darauf wetten, dass einige von ihnen, wenn sie die Karte der Braunen Zwerge sehen, darüber nachgedacht haben, was man sonst noch tun könnte. Seien Sie gespannt auf die nächste Generation von Ergebnissen.
Und da haben Sie es: 10 Monate astronomische Forschung von der Idee bis zur Veröffentlichung, die zur ersten Oberflächenkarte eines Braunen Zwergs (Crossfield et al.) Und zur ersten Sieben-Wellenlängen-Band-Studie über Helligkeitsschwankungen zweier Brauner Zwerge führte (Biller et al.). Zusammengenommen liefern die Studien ein faszinierendes Bild komplexer Wettermuster auf einem Objekt irgendwo zwischen einem Planeten und einem Stern, dem Beginn einer neuen Ära für die Untersuchung von Braunen Zwergen, und einen wichtigen Schritt in Richtung eines anderen Ziels: detaillierte Oberflächenkarten von riesigen Gasplaneten um andere Sterne.
Persönlicher ausgedrückt war dies meine erste Pressemitteilung, die vom Weather Channel aufgegriffen wurde.
