RIESENSTERNE
Titanoxide um VY Canis Majoris
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
28. März 2013

Astronomen ist es gelungen, Titanoxide in der ausgedehnten Atmosphäre um VY Canis Majoris nachzuweisen. Der Riesenstern ist einer der größten bekannten Sterne überhaupt und dürfte bald als Supernova explodieren. Von den Beobachtungen erhoffen sich die Forscher neue Erkenntnisse über die Entstehung von Staub und von komplexeren Molekülen.

Ein ausgedehnter Staubnebel umgibt den Stern VY CMa, einen der größten bekannten Sterne. In der Atmosphäre dieser Riesensonne fanden Astronomen die Moleküle Titanoxid und Titandioxid. Bild: CDMS/T. Kamiński (Molekülsymbole),  NASA / ESA und R. Humphreys (University of Minnesota) (Bild)

Das Ziel der Beobachtungen der Astronomen, der veränderliche Stern VY Canis Majoris, kurz VY CMa, liegt im Sternbild Großer Hund (lateinischer Name: Canis Major). "VY CMa ist kein gewöhnlicher Stern. Es ist einer der größten Sterne, die wir kennen, und er steht nahe am Ende seines Lebens", erklärt Tomasz Kamiński vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR).

Dieser Stern, mit dem 1.000- bis 2.000-fachen Durchmesser der Sonne, würde fast die Umlaufbahn des Saturn erreichen, könnte man ihn im Zentrum unseres Sonnensystems platzieren. Der Stern bläst große Mengen von Material von seiner Oberfläche ab, das einen unregelmäßigen Staubnebel um den Stern bildet. Dieser Reflexionsnebel um VY CMa wird dadurch sichtbar, dass darin enthaltene kleine Staubpartikel das Licht des Zentralsterns reflektieren.

Die komplexe Struktur dieses Nebels stellt Astronomen schon seit Jahrzehnten vor Rätsel. Zwar ist unstrittig, dass er sich als Resultat eines Sternwinds gebildet hat, es ist aber längst nicht verstanden, worauf die sehr unregelmäßige Struktur zurückgeführt werden kann.

Und es ist ebenfalls noch nicht bekannt, welcher physikalische Prozess den Wind antreibt, also wodurch sich das Material von der Sternoberfläche wegbewegt und im umgebenden Raum ausdehnt. "Das Schicksal von VY CMa wird sein, als Supernova zu explodieren, aber wir wissen nicht genau, wann das tatsächlich stattfinden wird", sagt Karl Menten, der Leiter der Forschungsabteilung "Millimeter- und Submillimeter-Astronomie" am MPIfR.

Beobachtungen bei verschiedenen Wellenlängen liefern Hinweise auf bestimmte Moleküle in dem Gas des Nebels. Jedes Molekül hinterlässt nämlich in einem Spektrum, also der Aufspaltung des Lichts in seine verschiedenen Wellenlängen, charakteristische Linien. Anhand dieses spektralen Fingerabdrucks lassen sich die Moleküle im Nebel identifizieren. "Die Strahlung in kurzen Radiowellenlängen, den sogenannten Submillimeter-Wellen, ist für die Untersuchung von Molekülen und deren Eigenschaften hervorragend geeignet", erläutert Sandra Brünken von der Universität zu Köln. "Die Identifizierung der Moleküle ist leichter möglich und normalerweise kann man auch eine größere Anzahl von Molekülen beobachten als in anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums."

Das Forschungsteam hat nun zum ersten Mal Titanoxid und Titandioxid in Radiowellenlängen beobachtet. Darüber hinaus ist es das erste Mal überhaupt, dass Titandioxid im Kosmos identifiziert werden konnte. Man kennt dieses Molekül auch auf der Erde - als Hauptbestandteil des unter Malern als "Titanweiß" bekannten weißen Pigments, als Zutat von Sonnenschutzmitteln und als Farbstoff in Lebensmitteln unter der Codenummer E171.

Theoretische Überlegungen lassen vermuten, dass Sterne, und zwar speziell Sterne mit sehr geringen Oberflächentemperaturen, in großen Mengen Titanoxide produzieren, die dann mit dem Sternwind nach außen transportiert werden. "Sie neigen dazu, sich in Form von Staubpartikeln zusammenzuballen, die dann im Optischen oder im Infraroten sichtbar werden", sagt Nimesh Patel vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Und die katalytische Wirkung von Titandioxid beeinflusst vermutlich die chemischen Prozesse, die auf den Staubkörnern stattfinden", ergänzt Holger Müller von der Universität zu Köln. "Das ist sehr wichtig für die Entstehung von größeren Molekülen im Weltraum."

Die charakteristischen Linien von Titanoxid hingegen sind im sichtbaren Bereich des Spektrums seit mehr als 100 Jahren bekannt. Tatsächlich benutzt man diese Linien sogar zur Klassifikation von bestimmten Sterntypen mit niedrigen Oberflächentemperaturen (Spektraltyp M und S). Das Pulsationsverhalten von Mira-Sternen, einer bestimmten Klasse von veränderlichen Sternen, wird auf den Einfluss von Titanoxid zurückgeführt. Mira-Sterne sind veränderliche Überriesensterne in einem sehr späten Entwicklungsstadium, die nach dem Prototypen Mira im Sternbild Walfisch benannt werden.

Beobachtungen von Titanoxid und Titandioxid zeigen, dass diese beiden Moleküle in der Umgebung von VY CMa in größerer Menge vorhanden sind, und zwar in Bereichen, die in etwa auch von der Theorie vorhergesagt werden. Es scheint jedoch, dass ein bestimmter Anteil dieser Moleküle keinen Staub bildet, sondern in gasförmiger Form vorhanden ist. Eine mögliche Erklärung dafür wäre, dass der Staub im umgebenden Nebel zerstört wurde und daher Titanoxid wieder im Gas vorhanden ist. Ein solches Szenario wird dadurch unterstützt, dass Bestandteile des Sternwindes um VY CMa offenbar miteinander kollidieren.

Die neuen Entdeckungen in Submillimeter-Wellenlängen sind vor allem wichtig, um den Prozess der Staubentstehung zu erforschen. Bei optischen Wellenlängen hat man das Problem, das die von den Molekülen ausgesandte Strahlung an Staubpartikeln in dem umgebenden Nebel gestreut wird und sich daraus ein verschwommenes Bild ergibt. Dieser Effekt kann bei Radiowellen im Submillimeter-Bereich vernachlässigt werden und ermöglicht dadurch wesentlich präzisere Messungen.

Die Entdeckung der beiden Titanoxide im Spektrum von VY CMa erfolgte mit dem Submillimeter-Array (SMA), einem Radiointerferometer auf dem Mauna Kea in Hawaii. Da dieses Instrument insgesamt acht Einzelantennen miteinander verbindet, die ein virtuelles Teleskop von 226 Metern Durchmesser ergeben, konnten die Astronomen ihre Messungen mit bislang nicht erreichter Empfindlichkeit und Winkelauflösung durchführen.

Eine Bestätigung der neuen Entdeckungen erfolgte später mit dem Plateau-de-Bure-Interferometer (PdBI) des IRAM-Instituts in den französischen Alpen. Weitere Erkenntnisse erhoffen sich die Forscher vom kürzlich offiziell eröffneten Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile. "ALMA wird die Untersuchung von Titanoxiden und weiteren Molekülen in VY CMa bei sogar noch besserer Auflösung ermöglichen", so Kamiński. "Damit lassen unsere Resultate einiges für zukünftige Entdeckungen erwarten."

Die Astronomen berichten über ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics.