Kartographie eines fernen Sterns

Selbst mit den größten Teleskopen erscheinen die Oberflächen entfernter Sterne normalerweise nur als Lichtpunkte. Eine detaillierte Auflösung wird erst mittels einer speziellen Technik, der sogenannten Doppler-Tomographie, möglich. Dafür werden ein hochauflösender Spektrograph, ein großes Teleskop, ausreichend Beobachtungszeit und eine präzise Analysesoftware benötigt. Jede Linie im Spektrum eines Sterns kann als komprimiertes, eindimensionales Bild der Sternoberfläche betrachtet werden, die wenn der Stern rotiert, durch den Doppler-Effekt verbreitert wird. Hat ein Stern auf seiner Oberfläche Flecken, analog zu den Sonnenflecken auf unserer Sonne, werden diese durch den Doppler-Effekt verbreiterten Spektrallinien verformt. Mehrere Aufnahmen dieser Spektrallinien während einer kompletten Sternumdrehung können dann in eine zweidimensionale Temperatur- (oder Helligkeits-) Karte übersetzt werden. Die Methode, so eine ansonsten unaufgelöste Sternoberfläche abzubilden, ist mit der Kernspintomographie in der Medizin vergleichbar.

Das Instrument PEPSI (The Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument) geht jedoch einen entscheidenden Schritt weiter. Durch seine zwei Polarimeter, die dem Spektrographen zusätzlich polarisiertes Licht zuführen, kann auch der Einfluss des ansonsten versteckten Zeeman-Effekts erfasst werden. Der Zeeman-Effekt bezeichnet die Aufspaltung und Polarisation von Spektrallinien durch ein Magnetfeld. Wenn man den Zeeman-Effekt mit dem Doppler-Effekt kombiniert entschlüsselt, ist es möglich, die Magnetfeldgeometrie des Sterns zu rekonstruieren. Diese Kartographie in polarisiertem Licht nennt sich dann Zeeman-Doppler-Imaging.

Mit PEPSI-Beobachtungen am Large Binocular Telescope (LBT) gelang es einem Team von Astronomen des AIP, eine einmalige Serie hochaufgelöster polarisierter Spektren des rotierenden Sterns II Pegasi aufzuzeichnen. „Der Stern hat eine Rotationsdauer von 6,7 Tagen, weswegen er sich in Hinblick auf die benötigte Beobachtungszeit am LBT eignet,“ sagt der Autor der Studie und Projektleiter von PEPSI, Prof. Dr. Klaus Strassmeier vom AIP. „Und mit sieben aufeinanderfolgenden klaren Nächten hatten wir außerdem sehr viel Glück,“ ergänzt Dr. Ilya Ilyin, Wissenschaftler im PEPSI Projekt. Die Analyse der Beobachtungen erfolgte mit der am AIP entwickelten Software für hochaufgelöste Spektrallinienprofile iMap. Überraschend für das Wissenschaftlerteam war, dass sowohl warme als auch kalte Sonnenflecken rekonstruiert wurden und diese mit umgekehrter Polung erschienen.

„Die warmen Bereiche des Sterns zeigen eine positive Polung, während die meisten kalten Stellen eine negative oder gemischte Polung vorweisen,“ sagt Dr. Thorsten Carroll, Projektleiter von iMap. Die Fleckenverteilung auf II Peg hat keine direkte Entsprechung auf der Sonne. Die einzelnen Flecken erscheinen vergleichsweise riesig, rund tausendmal größer als die Flecken auf unserer Sonne. „Wir erklären die koexistierenden warmen Flecken auf II Peg mit dem Erhitzen durch eine Schockfront im Plasmafluss zwischen Regionen unterschiedlicher Polarität“, fasst Strassmeier zusammen. "PEPSI ist sowohl als Spektrograph als auch als Spektropolarimeter einzigartig in der heutigen Welt astronomischer Instrumente und wird bedeutende Beiträge zur Sternphysik leisten", fügt Christian Veillet, Direktor des LBT Observatory, hinzu. "Die Notwendigkeit, die Sterne, die Exoplaneten beherbergen, sowie die Planeten selbst durch Transitbeobachtungen zu charakterisieren, wird PEPSI zu einem gefragten Instrument für die Mitglieder der LBT-Gemeinschaft machen.“