Astronomie ist zwar wirklich toll – aber im Gegensatz zu den meisten anderen Wissenschaften haben wir ein Problem: unsere Forschungsgegenstände sind weit weg. Sehr weit weg. So weit weg, dass man nur in ganz wenigen Ausnahmen direkte Untersuchungen an ihnen durchführen kann. Ein Zoologe kann ein Tier sezieren und nachsehen, wie es innen drin aussieht. Ein Chemiker kann eine unbekannte Substanz auf hunderte Arte analysieren und alle möglichen Meßgeräte reinstecken; ein Geologe kann mit seinem Hammer auf Steinen rumklopfen und die Physiker können ihre Elementarteilchen in großen Beschleunigern aufeinander schmeissen. Nur uns Astronomen bleibt nichts anderes übrig als zu schauen. So wie früher im Museum: “Hände hinter den Rücken und nichts anfassen! Nur anschauen!”. Aber natürlich reicht es uns nicht die Dinge nur von außen zu betrachten. Wir wollen auch wissen, was in den Sternen los ist. Aber wie stellt man das an? Wie erforscht man das Innere einer gigantischen Gaskugel aus ein paar Billiarden Kilometer Entfernung? Tja, die Astronomen sind kreativ und haben sich im Laufe der Zeit einige Methoden ausgedacht. Eine davon ist die Asteroseismologie.

Die Asteroseismologie ähnelt der Seismologie die wir von der Erde kennen. Dabei beobachtet man ja, wie sich durch Erdbeben ausgelöste Wellen durch den Erdkörper bewegen. An verschiedenen Schichten können diese Wellen dann z.B. reflektiert werden und durch manche Bereiche können sie sich gar nicht ausbreiten (deswegen wissen wir auch, dass ein Teil des Erdkerns flüssig ist). So ist es denn Geophysikern möglich, Details über das Innere der Erde herauszufinden.

Die Asteroseismologen machen es ähnlich. Hier allerdings wartet man nicht auf “Sternbeben” – so ein Stern ist ja kein Festkörper wie die Erde sondern eine Kugel aus Gas und ständig in Bewegung. Diese Wellen unterscheiden sich aber ein wenig von dern Erdbebenwellen auf der Erde und sie entstehen auch anders. In so einem Stern ist es ja nicht nur sehr heiß sondern auch sehr laut. Und die Schallwellen, die durch die turbulente Bewegung des Plasmas entstehen können unter gewissen Umständen verstärkt werden (konstruktive Interferenz) und dann den ganzen Stern zum Schwingen bringen – ein bisschen so wie eine Glocke. Und weiß man dann welche Schwingungen bei so einem Stern verstärkt werden, dann verrät einem das schon sehr viel über den inneren Aufbau.

Die Schwingungen eines Sterns können simpel sein – oder sehr komplex. Aussehen tut das dann zum Beispiel so (die Amplituden sind hier aber extrem erhöht):

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Neben diesen akustischen Schwingungsformen, den sogenannten p-Moden gibt es auch noch g-Moden (“Schwerewellen“; nicht zu verwechseln mit den Gravitationswellen der allgemeinen Relativitätstheorie) und f-Moden (das sind Wellen an der Sonnenoberfläche; analog zu den Wellen an der Oberfläche eines Ozeans).

Gut – Sterne schwingen also, je nach innerem Aufbau auf verschiedene Art und Weise. Das ist gut zu wissen, aber: kann man das auch messen? Ja, man kann! In der Animation oben ist ja gut zu sehen, dass sich dank der Schwingungen verschiedene Teile des Sterns auf den Beobachter zu bewegen und andere Teile vom Beobachter weg. Das bedeutet aber auch, dass man dank des Dopplereffekts messen kann, dass Spektrallinien im Sternspektrum ebenfalls periodische Blau- bzw. Rotverschiebungen zeigen. Man misst also die sogenannte “Radialgeschwindigkeit” und kann dann daraus ableiten, auf welche Art und Weise der Stern schwingt.

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Es geht aber auch noch anders. Denn die akustischen Wellen reichen ja bis an die Photosphäre eines Sterns; also den Bereich, von dem aus das Licht abgestrahlt wird. Und die verschiedenen Schwingungsmoden verändern die Lichtabstrahlung. Der Stern wird also auf charakteristische Art und Weise heller und dunkler und wenn man die Helligkeitsschwankungen eines Sterns ganz exakt misst und dann noch ein bisschen mathematische Analyse drüber wirft, dann kann man daraus ebenfalls Informationen über die Schwingungen des Sterns gewinnen.

Alles was schwingt kann man natürlich immer auch irgendwie hörbar machen in dem man die Schwingungen in den für uns Menschen passenden Bereich umrechnet. Und natürlich ist das auch bei den Sternen möglich. So würde sich zum Beispiel unsere Sonne “anhören” (Hörbeispiele von asteroseismology.org):

Und so unser Nachbar Alpha Centauri B:

Interessant klingt auch der Ap-Stern HR 3831:

Also: Helligkeitsmessungen und die Bestimmung der Radialgeschwindigkeiten bilden die Grundlage der Asteroseismologie. Den aufmerksamen Leserinnen und Lesern wird das bekannt vorkommen. Über Helligkeitsmessungen und Radialgeschwindigkeiten habe ich hier in meinem Blog (und Ludmila nebenan) schon oft geschrieben. Nämlich immer dann, wenn es um den Nachweis von Exoplaneten geht. Da verwendet man genau die gleichen Methoden. Ein Exoplanet bringt einen Stern zum “Wackeln” – d.h. er bewegt sich mal auf uns zu und mal von uns weg und das können wir mit Radialgeschwindigkeitsmessungen nachweisen. Oder der Exoplanet verdeckt ein wenig vom Licht des Sterns: dann entstehen Helligkeitsschwankungen die man ebenfalls messen kann.

Exoplanetenjäger und Asteroseismologen sind also auf genau die gleichen Messungen angewiesen. Deswegen ist es auch nicht verwunderlich, dass Weltraummissionen wie CoRoT oder Kepler beide Themenfelder behandeln. Aber die Asteroseismologie ist anscheinend – zumindest für die Medien – nicht so sexy wie die Exoplaneten. Während die ständig in den Zeitungen präsent sind und jeder Planetenfund von CoRoT oder Kepler medial begeleitet wird, hört man über asteroseismologischen Ergebnisse dieser Mission so gut wie nie etwas (Ja, ich gebe zu, dass ich hier auch ein wenig einseitig berichte. Aber mein Arbeitsgebiet sind ja auch die Exoplaneten; da muss man das entschuldigen 😉 ). Das ist eigentlich ziemlich schade denn die Forschungsergebnisse sind durchaus sehr interessant!

Und was die Asteroseismologen so alles rausgefunden haben, erzähle ich euch dann das nächste Mal 😉


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Kommentare (25)

  1. #1 ajku
    22. November 2010

    Zur Abwechslung mal was Uncooles? 😉

  2. #2 ajku
    22. November 2010

    Zur Abwechslung mal was Uncooles? 😉

  3. #3 MartinB
    22. November 2010

    Das macht das Rauskitzeln von Exoplaneten aber nicht leichter, wenn die Sterne selbst so ähnliche Signale erzeugen, oder? Wie dröselt man denn das auf?

  4. #4 Erik
    22. November 2010

    Das geht bestimmt mit Hoch- bzw. Tiefpassfiltern… Ein Planet erzeugt bestimmt andere Frequenzen am Stern als die Seismologie des Selbigen…
    ^^ nur eine Vermutung von mir ^^

  5. #5 Florian Freistetter
    22. November 2010

    Also man kann schon rausfinden, ob das Signal vom Stern selbst oder nem Planeten kommt. Das ist aber absolut nicht trivial und da steckt viel Arbeit drin. Frag mal Ludmila; sowas ist ihr Job und sie wird dir erzählen, wie sehr die Exoplanetenleute von der Unmengen an solchen möglichen Signalen genervt sind 😉 Bzw. von der Arbeit die es bedeutet, das alles auseinander zu frimmeln…

  6. #6 skappelaht
    22. November 2010

    über was für frequenzen sprechen wir hier eigentlich?

  7. #7 deepsouth
    23. November 2010

    Ein sehr interessanter Beitrag!
    Der Sound der Sterne (vor allem der von Giants u. Subgiants) hat mich besonders beeindruckt. Leider ohne Angaben von Lautstärken….
    Wäre schon interessant zu wissen, wieviel Lärm unserer Sonne bis zur Erde durchdringen würde, wäre da nicht die Barriere des Vakuums.
    Ich denke schon, daß eine Wasserstoffbombe mit 140.000.000 km Durchmesser ordentlich Krach macht.
    😉
    Auch darüber hinaus war das heute aus astronomischer Sicht ein interessanter Tag mit ein paar bemerkenswerten Nachrichten.
    So wurde einerseits die Existenz der dunklen Materie angezweifelt und andererseits ein Bild des Universums von “vor dem Urknall” veröffentlicht und die konforme zyklische Kosmologie wieder auf die Schirme geholt.
    Spannend spannend!
    Ich hoffe, daß Du (Florian) die Themen genau so spannend findest und sie hier im Blog mal aufgreifst.
    Und wenn wir schon beim Wunschzettel sind (schließlich ist bald Weihnachten), dann hätte ich da noch so ein Thema, das mich derzeit schwer beschäftigt, über das aber nur wenig oder gar nix im web zu finden ist:
    In jedem aktiven Stern wird stetig Materie in Energie umgewandelt. Bei den VW-Golf unter den Sternen wie unserer Sonne ist das sehr wenig, aber in größeren (schwereren) Sternen doch schon einige Prozent der Gesamtmasse und das in relativ kurzer Zeit.
    Die Masse im Universum wird also stetig geringer.
    Damit nimmt auch die Summe der Gravitationskräfte ständig ab.
    Ist das vernachlässigbar oder spielt das eine Rolle, wenn man über die Expansion, das Alter, die Entwicklung und die Zukunft des Universums nachdenkt?
    Wenn ja, welche…??
    ach wäre doch schon Nikolaus! ;-))))
    Gruß

  8. #8 deepsouth
    23. November 2010

    EDIT:
    Es muss heißen: 1.400.000 km Durchmesser (Sonne)
    sorry

  9. #9 Ronny
    23. November 2010

    @deepsouth
    In jedem aktiven Stern wird stetig Materie in Energie umgewandelt.
    Ja

    Damit nimmt auch die Summe der Gravitationskräfte ständig ab.
    Nein, sie verteilen sich nur anders. Die abgestrahlten Photonen haben ja auch eine Masse, somit bleibt die Gesamtmasse gleich:
    Ausgangsmassse = Fusionsmasse + Photonenmasse

    Die lokale Gravitationskraft wird kleiner. aber die Summe im Universum bleibt konstant.

  10. #10 togibu
    23. November 2010

    In Ergänzung zu den Fragen von deepsouth:
    In allen Sonnen werden doch auch ständig große Mengen Neutrinos erzeugt, die m.W. so gut wie gar nicht mit irgendwas in Wechselwirkung treten, und daher auch kaum wieder in irgendwas anderes umgewandelt werden. Da müsste doch im Universum die Menge an Neutrinos ständig zunehmen. Kann man diese Zunahme an Neutrinos eigentlich irgendwie feststellen? Wie wirkt sich diese (anscheinend einseitige) Umwandlung auf die Zukunft des Universums aus?
    Da hat sich doch bestimmt irgendjemand schon mal schlaue Gedanken gemacht?

  11. #11 Florian Freistetter
    23. November 2010

    @deepsouth: “Ist das vernachlässigbar oder spielt das eine Rolle, wenn man über die Expansion, das Alter, die Entwicklung und die Zukunft des Universums nachdenkt?”

    Das spielt nicht wirklich ne Rolle. Erstmal ist das sehr wenig Masse – und dann gibts ja noch den guten alten Einstein 😉 Was die Gravitationskraft angeht, klappt das mit Energie genauso…

    @togibu: “Da hat sich doch bestimmt irgendjemand schon mal schlaue Gedanken gemacht?”

    Vermutlich. Aber ich weiß leider grad nicht, wer 😉 Wenn ich was dazu finde, sage ich Bescheid.

    @skappelaht: “über was für frequenzen sprechen wir hier eigentlich?”

    Also die Grundperiode der Eigenschwingung der Sonne beträgt z.B. etwa 5 Minuten. Generell sind die p-Moden größer als 1 mHz. g-Moden haben eine noch kleinere Frequenz; so zwischen 0 und 0,4 mHz

  12. #12 Bullet
    23. November 2010

    Ouh. Da muß Herr Cousto aber oft oktavieren. :)
    SCNR

  13. #13 Interskeptor
    23. November 2010

    (…kurze Deppenfrage zwischendrin: Sind alle Wellen, die sich in einem Medium ausbreiten, Schallwellen? Oder wie ist das definiert? Ich wundere mich grad, das bei solchen Größenordnungen tatsächlich von “Schall” und “Akustik” die Rede ist… Nix für ungut… :-))

  14. #14 Bullet
    23. November 2010

    Klingt komisch, nicht? Aber Schall ist auch nur eine Druckwelle in einem Medium. Und da die Gesetzmäßigkeiten des Schalls inzwischen recht gut verstanden sind … wir sagen ja auch “Infrarotlicht”, obwohl wir es nicht sehen können. Und die Astronomen nennen alles “Metall”, was nciht Wasserstoff oder Helium ist. :)
    Man gewöhnt sich dran.

  15. #15 klauszwingenberger
    23. November 2010

    @ interskeptor

    Schallwellen sind Longitudinalwellen. Die Wellen im Meer sind z B. Transversalwellen. Auch wenn’s nicht so aussieht.

  16. #16 deepsouth
    23. November 2010

    Hallo
    Danke für die fachkundigen Antworten.
    Trotzdem muss ich Zweifel anmelden.
    Bei der Kernfusion tritt ein Masseverlust (Massendefekt) auf.
    Hab mal schnell auf wiki geschaut…

    “Der Massendefekt widerlegt die Unterstellung der klassischen Physik, die Masse bleibe bei allen Vorgängen erhalten.”

    Also doch geringer werdene Gesamtmasse im Universum?

  17. #17 Florian Freistetter
    23. November 2010

    @deepsouth: Ja, die Masse wird weniger. Aber Masse und Energie sind ja austauschbar. Mit der Energiehaltung ists aber auch wieder so ne Sache (eigentlich ist die in der allgemeinen Relativitätstheorie nicht mehr exakt gegeben. Aber das ist ne andere Geschichte)

  18. #18 deepsouth
    24. November 2010

    Danke für die schnelle Antwort.
    Dass Masse und Energie austauschbar sind, ist seit über 100 Jahren bekannt und selbst ich weiß das schon eine ganze Weile.
    Aber Energie übt ebend keine Gravitation aus.
    Gravitation (soweit sie bis heute verstanden ist) wird nur von Masse ausgeübt.
    Verwandelt man nun Masse in Energie, sollte infolge des Masseverlustes auch die Gravitation abnehmen – so meine Gedanken.
    Und dies sollte längerfristige Folgen im Universum haben.

    Ich werde mich noch mal intensiv damit beschäftigen….
    so auf die Schnelle und in Kürze werden wir das hier nicht in trockene Tücher bringen können…
    Gruß

  19. #19 Florian Freistetter
    24. November 2010

    @deepsouth: “Aber Energie übt ebend keine Gravitation aus. “

    Ne, auch Energie krümmt die Raumzeit. Das ist ja z.B. der Witz an der dunklen Energie.

  20. #20 Interskeptor
    24. November 2010

    @Bullet & Klauszwingenberger
    Danke für die Erklärung!

    ([OT]Also könnten die legendären “Desaster Area” ihre Lautstärke gewaltig erhöhen, wenn sie sich Sternen-Verstärker zulegen würden. Wenn das der gute Douglas Adams gewusst hätte… 😉 OMG, hat jemand mal nachgesehen, ob irgendwelche Sternkonstellationen auf Boxentürme hinweisen? Vielleicht sind die Jungs gerade mit dem Aufbau fertig und wollen demnächst mit dem Soundcheck anfangen… 😉 [/OT])
    Beste Grüße

  21. #21 Bullet
    24. November 2010

    @Interskeptor:
    solange der Synchronisationsstrahl nicht die dazu passende Lichtanlage ist … ^^

  22. #22 deepsouth
    25. November 2010

    Was für ein Zufall….
    soebend endete auf 3Sat die Sendung Scobel zum Thema “Gravitation”, u.a. mit Simon White (Direktor am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching).
    Aber das nur am Rande…, denn viel mehr möchte ich auf den Satz von Florian “Energie krümmt die Raumzeit” eingehen.
    Ja, das tut sie – aber nur wenn man die Gravitation nicht als Kraft, sondern als geometrischen Efekt der (gekrümten) Raumzeit versteht.
    Ein anschauliches Beispiel, reduziert auf die uns vertrauten Dimensionen:
    Am Equator stellt man zwei Autos exakt parallel nebeneinander auf und lässt sie exakt geradeaus Richtung Norden fahren.
    Am Nordpol stoßen beide Autos zusammen, obwohl sie immer geradeaus gefahren sind.
    Für einen außenstehenden Beobachter, der nichts von der Krümmung der Erdoberfläche weiß, sieht es so aus, als gäbe es eine unsichtbare Anziehungskraft zwischen beiden PKW – die er beispielsweise “Gravitation” nennen könnte.
    Tatsächlich wirkt aber gar keine Kraft zwischen diesen Autos.
    Wenn ich jetzt zu meiner Ausgangsfrage zurückkehre (nimmt durch die stetige Umwandlung von Masse in Energie in Sternen die Gesamtmasse des Universums ab, und damit auch die Gravitation?) muss man zu der Antwort kommen…
    ähm, nöö, …der Massendefekt hat keinerlei Auswirkungen auf die Gravitation, denn sie ist gar nicht Masse-abhänging, sie ist nicht einmal eine richtige Kraft, sondern nur ein geometrischer Efekt, sie basiert zwar irgendwie auf Masse – aber das mit der Masse isses auch so ein Dingens, was noch nicht richtig klar ist usw. usw.
    Verleiht das Higgs-Feld laut Standardmodell den Teilchen die Masse? Oder ist das Standardmodell fehlerhaft, gar falsch?
    Kurz:
    Die von mir eingangs gestellte Frage ist so lange unbeantwortbar, bis endlich eine der vielen Theorien (Standard, SUSY, MOND, String etc.) als die richtige erkannt und bewiesen wird, in der auch die Fragen von Masse und Gravitation beantwortet werden.
    In Büchern und im web findet man tausendfach den Satz (sinngemäß):
    “Gravitation ist eine Naturkraft und wird von Masse erzeugt.”
    Eine sehr oberflächige Aussage, die zu Fehleinschätzungen führt.
    Ist Gravitation überhaupt eine Kraft?
    Was ist Masse und was unterscheidet sie von Energie?
    Danke für die Diskussion hier (is ja nicht mein Blog sondern Florian seiner!),
    ich fand sie interessant und motivierend.
    Abschließend kann man wohl sagen (auf meine Eingangsfrage bezogen):
    Nein, der Massendefekt (welcher von unzähligen Sternen verursacht wird) hat KEINEN Einfluss auf die Gesamt-Gravitation des Universums.
    Über das “Warum” melde ich mich in zwanzig Jahren nochmal zuwort! 😉
    Gruß

  23. #23 Niels
    26. November 2010

    @deepsouth
    In der letzten Spektrum der Wissenschaft war ein Artikel, der dich vielleicht interessieren würde:
    Verliert das Universum Energie?
    http://www.spektrum.de/artikel/1044837

  24. #24 EstebanFuerte
    Wolfurt
    7. Februar 2016

    Hallo Florian,
    ein wirklich schöner Beitrag!

    Da ich mich das erste mal mit Asteroseismologie bzw. Astronomie beschäftige hätte ich zwei (wahrscheinlich dumme/peinliche) Fragen:

    1. Wenn man die Helligkeit des Sternes misst, misst man die Helligkeit des ganzen Sterns oder örtlich aufgelöst?
    2. In einem deiner anderen Blog-Einträge habe ich gelesen, dass die Newton-Laplace-Gleichung die Schallgeschwindigkeit abhängig von Druck, Temperatur und Dichte beschreibt. Kann man sagen welcher Parameter die stärkste Einwirkung hat?

    Ich bin schon auf die Antwort gespannt 😉 Danke schon im vorhinein!

  25. #25 Florian Freistetter
    7. Februar 2016

    @Esteban: “Wenn man die Helligkeit des Sternes misst, misst man die Helligkeit des ganzen Sterns oder örtlich aufgelöst?”

    Des ganzen Sterns. Auflösen kann man die iA nicht, dafür sind sie zu weit weg.

    ” In einem deiner anderen Blog-Einträge habe ich gelesen, dass die Newton-Laplace-Gleichung die Schallgeschwindigkeit abhängig von Druck, Temperatur und Dichte beschreibt. Kann man sagen welcher Parameter die stärkste Einwirkung hat?”

    Kann man sicher, aber ich momentan nicht 😉 Dafür bin ich zuwenig Spezialist für stellare Astronomie. Aber wenn es um die Helligkeitsänderung geht, hängt das alles zusammen. Sieht man gut beim Kappa-Mechanismus, den ich ier beschrieben habe: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2010/12/03/nichts-bleibt-wie-es-ist-nicht-mal-die-veranderung-der-blazhkoeffekt/

    (siehe auch hier: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2011/09/14/der-pulsierende-herzschlag-grosser-sterne-ist-starker-als-gedacht/)