In der Wissenschaft wird es immer besonders spannend, wenn man etwas entdeckt, mit dem man absolut nicht gerechnet hat. Natürlich ist es auch schön, etwas zu finden, das jemand vorhergesagt hat (wie es zum Beispiel beim Higgs-Teilchen der Fall war). Aber wenn sich das Universum nicht so verhält, wie man es angenommen hatte, dann ist das oft ein Zeichen dafür, dass man etwas wirklich Neues entdeckt hat. Und das, was die beiden britischen Astronomen Bryan Rees und Albert Zijlstra kürzlich veröffentlicht haben, könnte vielleicht genau so etwas sein.

Rees und Zijlstra haben planetare Nebel untersucht. Trotz des Namens haben diese Objekte nichts mit Planeten zu tun (und auch nicht wirklich etwas mit Nebel). Ein planetarischer Nebel entsteht, wenn ein Stern stirb. Große Sterne beenden ihr Leben in einer großen Explosion; einer Supernova. Kleinere Sterne wie unsere Sonne gehen es ein wenig ruhiger an. Wenn ihnen der Brennstoff ausgeht, dann blähen sie sich auf und werden zu einem roten Riesen. Sie stoßen die äußeren Schichten ihrer Atmosphäre ins All und am Ende bleibt nur ein kleiner weißer Zwerg (ungefähr so groß wie die Erde) übrig, der von einer expandierenden Schale aus Gas umgeben ist. Das ist ein planetarer Nebel und so können diese Objekte aussehen:

Die Nebel können verschiedene Formen haben und es ist noch nicht ganz klar, welche Faktoren die Form bestimmen. Es kommt darauf an, wie sich der Stern am Ende seines Lebens verhält; wie die Umgebung aussieht; ob es andere Sterne in der Nähe gibt die mit ihrer Gravitation die Form beeinflussen; und so weiter. Die Nebel im obigen Bild gehören alle zur Gruppe der bipolaren Nabel und zeigen eine zweiachsige Struktur.

Normalerweise würde man davon ausgehen, dass die Achsen dieser bipolaren Nebel keine spezielle Orientierungen zeigen. Es gibt keinen Grund, warum unterschiedliche Nebel ihre Achse in die gleiche Richtung orientieren sollten. Und doch haben Rees und Zijlstra genau das beobachtet (“Alignment of the Angular Momentum Vectors of Planetary Nebulae in the Galactic Bulge”). Sie haben 130 planetarische Nebel im galaktischen Bulge untersucht; also die ungefähr 16.000 Lichtjahre durchmessende zentrale sphärische Region unserer Milchstraße. Bei all diesen Nebeln haben sie die Orientierung gemessen und ein interessantes Ergebnis gefunden:

Dieses Diagramm zeigt oben die Ausrichtung aller Nebel, die untersucht worden sind. Wie zu erwarten war, gibt es keine wirklich ausgezeichnete Richtung; die Nebel sind mal so und mal so orientiert. Das untere Diagramm dagegen zeigt nur die bipolaren Nebel und hier ist eine deutliche Asymmetrie zu erkennen. Die Ausrichtung der Nebel stimmt in etwa mit der Richtung der Ebene der galaktischen Scheibe überein. Rees hat die Entdeckung in einer Pressemitteilung der Europäischen Südsternwarte kommentiert:

“Die Ausrichtung, die wir für diese bipolaren Nebel beobachten, deutet darauf hin, dass an Sternsystemen innerhalb des Bulge irgendetwas skurril ist. Damit sie sich so aufreihen, wie wir das beobachten, muss die Rotation der Sternsysteme, die sie gebildet haben, senkrecht zu den interstellaren Wolken gewesen sein, aus denen sie entstanden sind, was sehr merkwürdig ist.”

Bisher dachte man, dass es vor allem die nähere Umgebung des Sterns ist, die seine Form bestimmt; also ob es sich um ein Doppel- oder Mehrfachsternsystem handelt oder nicht. Die neuen Ergebnisse zeigen aber nun, dass interstellare Magnetfelder eine wichtigere Rolle spielen, als man bis jetzt annahm. Denn auch ein Magnetfeld kann die Form beeinflussen, die ein Nebel hat. Das Gas aus dem Sterne entstehen ist nicht immer elektrisch neutral sondern kann auch ionisiert und damit geladen sein. Ein Magnetfeld kann die geladenen Gasteilchen beeinflussen und so Einfluss auf die Sternentstehung nehmen. Im Bulge ist die Sternendichte viel höher als in den dünn besiedelten äußeren Bereichen der Milchstraße, in denen sich auch die Sonne befindet. Das kombinierte Magnetfeld des Bulges kann daher auch für einen größeren Einfluss auf die Entstehung von Sternen sorgen. Rees und Zijlstra schlagen einen Mechanismus vor, nach dem sich die Sterne bei ihrer Entstehung aus den großen interstellaren Wolken am Magnetfeld des Bulges orientieren. Das Magnetfeld sorgt dafür, dass die Ebenen, in der sich die Komponenten von Doppelsternsystemen umeinander bewegen bevorzugt in der gleichen Richtung orientiert sind. Da Doppelsterne auch für die meisten bipolaren Nebel verantwortlich sind, beeinflusst das später auch die Orientierung der Nebelachsen.

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Kommentare (17)

  1. #1 McPomm
    10. September 2013

    Wie wurde die Orientierung der nicht-bipolaren Nebel im ersten Diagramm bestimmt?

  2. #2 Florian Freistetter
    10. September 2013

    @McPomm: Die Autoren schreiben dazu: “The polar angle of a non-polar PN was taken to be that of the major axis at the 10% level, basically the main symmetry axis of the nebula as suggested in Corradi, Aznar & Mampaso (1998) and Weidmann & Dıaz (2008)”

    Die zitierten Arbeiten kenne ich jetzt nicht, aber man wird halt einfach nach einer Symmetrieachse gesucht haben.

  3. #3 SCHWAR_A
    11. September 2013

    Da auch die Rotationsebenen der Satellitengalaxien in etwa senkrecht zur Scheibenebene ausgerichtet sind, überrascht es eigentlich nicht wirklich, oder?

  4. #4 Alderamin
    11. September 2013

    @SCHWAR_A

    Die der Magellanschen Wolken? Ist das so? Quelle?

    Ich find’s überraschend, dass im kugelförmigen Teil der Galaxis eine Ausrichtung der Rotationsachsen von Sternen entstanden ist und Bestand hat, wo doch dort die Sterne erstens sehr alt sind (also viel Zeit war, die anfängliche Ausrichtung zu verlieren, z.B. bei Begegnungen von Sternen), zweitens die Sternendichte hoch ist (d.h. Begegnungen häufiger) und 3. die Sterne sich auf Bahnen mit allen möglichen Neigungen bewegen, statt in einer Scheibe. Hätte ich nicht drauf gewettet. Eher für Sterne innerhalb der Milchstraßenscheibe.

  5. #5 Florian Freistetter
    11. September 2013

    @Schwar_a: “Da auch die Rotationsebenen der Satellitengalaxien in etwa senkrecht zur Scheibenebene ausgerichtet sind, überrascht es eigentlich nicht wirklich, oder?”

    Was haben jetzt die Satellitengalaxien damit zu tun? Ich steh grad auf der Leitung.

  6. #6 SCHWAR_A
    12. September 2013

    @Alderamin & Florian:
    “…also viel Zeit war, die anfängliche Ausrichtung zu verlieren”

    Aber genau das könnte doch dazu geführt haben, daß diese Ex-Sterne sich bzgl. ihrer Rotation an der Scheibe ausgerichtet haben. die Scheibe ist zwar außen, hat aber trotzdem asymmetrischen Einfluß auf die Sterne innerhalb des kugelförmigen Teils der Galaxis (Gezeitenkräfte?).

    Mich würde sogar nicht überraschen, wenn man bei einer genauen Durchmusterung dieses Gebietes feststellen würde, daß die Bahnneigungen ebenfalls entsprechend asymmetrisch verteilt sind…

  7. #7 T.Schreiter
    12. September 2013

    Als jemand, der beruflich viel mit Statistiken zu tun hat, würde ich behaupten, dass es auch einfach eine statistische Ungenauigkeit sein kann. Die 44 untersuchten bipolaren Nebel sind zu wenig, um ein repräsentatives Ergebnis zu erhalten.

  8. #8 Florian Freistetter
    12. September 2013

    @T.Schreiter: “Die 44 untersuchten bipolaren Nebel sind zu wenig, um ein repräsentatives Ergebnis zu erhalten.”

    Naja, Astronomen haben durchaus auch Ahnung von Statistik und machen sich schon auch Gedanken darüber, ob die Ergebnisse signifikant sind oder nicht…

  9. #9 Alderamin
    12. September 2013

    @SCHWAR_A

    Aber genau das könnte doch dazu geführt haben, daß diese Ex-Sterne sich bzgl. ihrer Rotation an der Scheibe ausgerichtet haben. die Scheibe ist zwar außen, hat aber trotzdem asymmetrischen Einfluß auf die Sterne innerhalb des kugelförmigen Teils der Galaxis (Gezeitenkräfte?).

    Ich hätte da an Sternbegegnungen gedacht, die einen eher chaotischen Einfluss auf die Bahnen von Doppelsternen hätten. Gezeitenkräfte? Die würden eher die Bahn der Sterne um das Zentrum der Milchstraße beeinflussen als die Umlaufbahnen von Doppelsternen umeinander, die sind doch sehr stark aneinander gebunden.

    Der Bulge (gibt’s eigentlich kein deutsches Wort dafür?) der Milchstraße ist ellipsoid mit einer Balkenstruktur, da liegen die Bahnen in beliebigen Ebenen, alles schwirrt durcheinander, wesentlich ungeordneter als in der Scheibe (stelle ich mir jedenfalls so vor, wie auch bei Kugelsternhaufen oder elliptischen Galaxien). Da wird auch schon mal ein Stern rausgekickt oder auf eine andere Bahn umgelenkt. Deswegen erstaunlich, dass die Ausrichtung von Doppelstern-Bahnen so lange erhalten bleibt, aber anscheinend ist deren Bindung eben so stark, dass sie Bestand hat. Wenn die Sterne denn eng genug stehen, dass sich eine Auswirkung auf die Form eines späteren planetarischen Nebels ergibt.

    Die Ausrichtung rührt dann (wie im Text beschrieben) aus der ursprünglichen Bewegung der instellaren Wolke her, die durch Magnetfelder beeinflusst werden kann.

    Vielleicht spielt ja irgendwie das zentrale Schwarze Loch mit hinein, es gibt ja eine noch nicht verstandene lineare Beziehung zwischen der Masse des Bulge einer Galaxie und der Masse des zentralen Schwarzen Lochs. Z.B. könnte dieses in der Frühphase der Entstehung als Quasar das verfügbare Gas aus der Galaxie geblasen haben und somit sein eigenes Wachstum begrenzt, was auch einen Einfluss auf die Bewegung innerhalb der Gaswolken und der daraus entstehenden Sterne gehabt haben könnte. Aber jetzt fantasier’ ich, ich höre hier lieber auf dem crackpotten…

  10. #10 SCHWAR_A
    12. September 2013

    @Alderamin:
    “Aber jetzt fantasier’ ich, ich höre hier lieber auf…”

    nein, nein, nicht aufhören! Denk’ mal an die Akkretionsebene des SLs: auch die sollte in etwa mit der Scheibenebene korrelieren. Warum sollte nicht alles in seiner Umgebung entsprechend ausgerichtet sein?

    Mal angenommen, es gäbe eine Art winzigkleiner Nichtlinearität der Gravitation: dann würde diese Ausrichtung ganz natürlich aus der Achsensymmetrie heraus erfolgen.

  11. #11 Alderamin
    12. September 2013

    @SCHWAR_A

    Denk’ mal an die Akkretionsebene des SLs: auch die sollte in etwa mit der Scheibenebene korrelieren.

    Tut sie nicht. 50° Inklination und -20° Positionswinkel. Wenn sie mit der Scheibenebene übereinstimmte, wäre die Inklination nahe 90°.

    Wer weiß wie viele zentrale SLs von verschluckten Zwerggalaxien schon in Sgr A* gelandet sind, die Ausrichtung der Achse muss daher wegen der Impulsübertragung nicht mehr die ursprüngliche sein (und ich meine mich zu erinnern, dass bei rotierenden SLs die Akkretionsscheibe die gleiche Achse wie das SL annehmen sollte).

  12. #12 SCHWAR_A
    13. September 2013

    @Alderamin:
    Danke für den sehr interessanten Artikel!

    Also, würde man die JCMT−SMTO – Messungen ignorieren und nur die beiden anderen verwenden, käme man auf etwa 70° oder sogar größere Inklination bei wenig Rotation, was bedeuten würde, daß die Akkretionsebene in Etwa mit der Scheibenebene der Galaxis korreliert.

    Es wird immer wieder von Jets unseres SLs gesprochen. Die sind anscheinend schwierig zu vermessen. Deren Ausrichtung, also die Spin-Achse des SLs, sind dann in Etwa senkrecht zur Galaxis-Scheibenebene, so wie hier.
    Das deckt sich ungefähr mit dem paper (ohne JCMT−SMTO Messungen).

    Interessant ist auch ein möglicher quadratischer Zusammenhang zwischen den nächsten Punkten vermessener Orbits um das SL und der daraus resultierenden SL-Masse:
    “From examining the Keplerian orbit of S2, they determined the mass of Sagittarius A* to be 2.6 ± 0.2 million solar masses, confined in a volume with a radius no more than 17 light-hours (120 AU).[12] Later observations of the star S14 showed the mass of the object to be about 4.1 million solar masses within a volume with radius no larger than 6.25 light-hours (45 AU) or about 6.7 billion kilometres.”

    2.6 / 4.1 ≈ 1 / √( 120 / 45 )

    Je näher also ein Orbit dem SL kommt, desto größer wird die daraus errechnete SL-Masse. Das könnte sogar dazu führen, daß tatsächlich die im paper als unwarscheinlich bezeichnete Masse von 9.0 × 10^6 M⊙ erreicht werden könnte, und zwar beim Peri-SL-Abstand von ~9.3AU, also unterhalb der “Zerreißgrenze”.
    Kannst Du Dir und mir erklären, woher so ein quadratischer Zusammenhang herkommen könnte?

  13. #13 Alderamin
    13. September 2013

    @SCHWAR_A

    Danke für den Link auf den jüngeren Artikel, der in der Tat auf eine höhere Inklination hinweist.

    Je näher also ein Orbit dem SL kommt, desto größer wird die daraus errechnete SL-Masse. Das könnte sogar dazu führen, daß tatsächlich die im paper als unwarscheinlich bezeichnete Masse von 9.0 × 10^6 M⊙ erreicht werden könnte, und zwar beim Peri-SL-Abstand von ~9.3AU, also unterhalb der “Zerreißgrenze”.
    Kannst Du Dir und mir erklären, woher so ein quadratischer Zusammenhang herkommen könnte?

    Zufall. Es ist ja nicht so, dass ein näherer Orbit zwangsläufig eine höhere Masse ergeben sollte (zumal die Sterne dem SL auch gar nicht so nahe kommen), sondern es handelt sich einfach um eine Verringerung des Messfehlers, wenn ich das richtig sehe. Alle Massenbestimmungen sollten den selben Wert ergeben, wenn nur die Bewegung der Sterne hinreichend exakt vermessen werden kann. Das gelingt umso leichter, je schneller der Stern sich bewegt, und es kommt auch auf die Perspektive an, unter der wir die Bahn sehen. Radialgeschwindigkeit lässt sich sehr genau messen, Eigenbewegung (tangential zur Himmelskugel) ist weitaus schwieriger exakt zu messen. Mit S14 wird man einfach einen für die Messungen besseren Stern gefunden haben. Würde ich vermuten.

  14. #14 rauskucker
    15. September 2013

    Lieber Florian, ein paar Fragen:

    Wie kommst du zu der Vermutung, die Ausrichtung der Nebel könne etwas mit interstellaren Magnetfeldern zu tun haben? Ist es nicht einfach so, daß die Ausrichtung ein Anzeichen dafür ist, wie die Rotationsachse des verursachenden Sterns liegt bzw. gelegen hat? Dann würde die beobachtete Verteilung etwas aussagen über die Verteilung der Rotationsachsen dieser Sterne.

    Oder habe ich etwas falsch verstanden, und solche bipolaren Nebel gibt es nur bei Doppelsternen? Gibt es dann einen Zusammenhang mit deren Bahnebenen?

    Gibt es überhaupt bisher Erkenntnisse über die Rotationsachsen vor irgendwelchen Sternen? Nur über ein paar wenige oder über viele, oder genug, um auch dabei eine statistische Aussage machen zu können?

    Falls nein, könnten die Daten von “Kepler” dabei helfen?

    Schönes Beispielsfoto übrigens heute bei APOD:
    http://apod.nasa.gov/apod/ap130915.html

  15. #15 Florian Freistetter
    15. September 2013

    @rauskucker: “Wie kommst du zu der Vermutung, die Ausrichtung der Nebel könne etwas mit interstellaren Magnetfeldern zu tun haben?”

    Das ist die Vermutung der Astronomen, über deren Arbeit ich berichte. Und das Magnetefld bestimmt, wie sich das Gas zu einem Stern anordnet und wie dann eben die Rotationsachsen dieser Doppelsterne in Bezug auf deren Bahnebene liegen.

    “Gibt es überhaupt bisher Erkenntnisse über die Rotationsachsen vor irgendwelchen Sternen? Nur über ein paar wenige oder über viele, oder genug, um auch dabei eine statistische Aussage machen zu können?”

    Das ist ehrlich gesagt nicht mein Spezialgebiet. Ein bisschen was weiß man schon, aber nicht sehr viel; zumindest im Vergleich mit den anderen Daten die man von den Sternen hat. Kepler kann da schon helfen, weil mit dem auch ein bisschen Asteroseismologie gemacht wurde (http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2010/11/22/asteroseismologie-pulsationen-und-der-klang-der-sterne/). Das ist ne Technik mit der man die Rotationsachse bestimmen kann.

  16. #16 rauskucker
    15. September 2013

    Ich habe eben dann doch den ziemlich schwer verständlichen Text von Rees und Zijlstra gelesen. Demnach geht es also tatsächlich vor allem (oder nur) um Doppelsternsysteme, und die wären also tatsächlich mit ihren Bahnebenen an der galaktischen Ebene orientiert. Jedenfalls bei dieser speziellen Auswahl.

    Dann wäre meine Frage entsprechend: gibt es über die Bahnebenen von Doppelsternen eine statistische Erfassung? Diese sollte wohl wesentlich leichter zu machen sein, oder?

    Überraschend fände ich eine solche Geordnetheit nicht. Im Sonnensystem sind die Rotationsachsen der Planeten ja auch mehr oder weniger gleich mit der der Sonne.

  17. #17 Alderamin
    19. September 2013

    Wo ich in #9 über die chaotischen Bahnen der Sterne im galaktischen Bulge spekulierte: die sind wirklich sehr skurril und der Bulge, der länglich verformt ist (die Milchstraße in eine Balkenspiral-Galaxie) hat tatsächlich ein wenig die Form einer Erdnussschale. All dies in diesem interessanten S&T-Artikel:

    http://www.skyandtelescope.com/news/home/Milky-Ways-Bulge-Peanut-223642081.html