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Planetarische Nebel entdecken


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 9/2021 vom 06.08.2021

MONATSTHEMA

Xavier Strottner; Bearbeitung: SuW-Grafik; Hintergrundbild: ESA / Gaia / DPAC (www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia/Gaia_creates_ richest_star_map_of_our_Galaxy_and_beyond) / CC BY-SA 3.0 IGO (creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/igo/legalcode)

Viele Astronomiebegeisterte sind mit den berühmten Verzeichnissen kosmischer Objekte gut vertraut, beispielsweise mit den Katalogen von Messier und Sharpless, dem New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars (NGC). Diese Listen beziehen sich nicht auf bestimmte Objektklassen, sondern enthalten recht unterschiedliche Einträge. So finden sich im Messier-Katalog Galaxien wie der Andromedanebel Messier 31, leuchtende Wasserstoffwolken wie der Orionnebel Messier 42 oder Gebiete aus kaltem Gas und Staub, beispielsweise die Dunkelwolken im Adlernebel Messier 16. Hinzu kommen Kugelsternhaufen, darunter Messier 13 im Herkules, ...

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Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 9/2021

Xavier Strottner; Bearbeitung: SuW-Grafik; Hintergrundbild: ESA / Gaia / DPAC (www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia/Gaia_creates_richest_star_map_of_our_Galaxy_and_beyond) / CC BY-SA 3.0 IGO (creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/igo/legalcode)
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... sowie offene Sternhaufen wie die Plejaden (Messier 45) im Stier und Planetarische Nebel wie Messier 57 im Sternbild Leier. Diese Aufzählung zeigt, dass solche klassischen Kataloge regelrecht kosmische Gemischtwarenläden sind. Gänzlich anders verhält es sich mit modernen Verzeichnissen, von denen sich viele speziellen Objektkategorien widmen.

Der von Xavier Strottner und Marcel Drechsler erstellte Katalog StDr umfasst derzeit 138 Kandidaten für Planetarische Nebel (gelb) und 31 weitere Objekte (rot). Die beiden Amateurastronomen kooperieren mit Interessierten weltweit. Gemeinsam mit dem US-amerikanischen Amateurastronomen Dana Patchick entdeckten sie fünf der hier markierten Objekte (blau).

Gaswolken, die das Ende sonnenähnlicher Sterne markieren: Ist der Brennstoffvorrat im Inneren eines solchen Sterns aufgebraucht, dann expandiert er zu einem Roten Riesen (siehe SuW 1/2020, S. 20). Von ihm geht ein Strom aus Gas und geladenen Partikeln aus, ein so genannter Sternwind, der allmählich eine Nebelhülle um den Stern bildet. Zugleich legt dieser kühle Wind aber auch den tief im Inneren liegenden heißen Sternrumpf frei. So wird aus dem Roten Riesen schließlich ein Weißer Zwerg. Die energiereiche Strahlung dieses heißen, kompakten Objekts regt das umgebende Gas zum Leuchten an: Ein Planetarischer Nebel entsteht. Die Bezeichnung dieser Nebel hat übrigens nichts mit Planeten oder gar mit fremden Sonnensystemen gemein; sie verweist ledig lich auf den visuellen Anblick mancher Nebel im Teleskop, der die Astronomen vergangener Jahrhunderte an die Planeten Uranus und Neptun erinnerte.

Planetarische Nebel gehören zu den eher flüchtigen Erscheinungen im Kosmos, denn durchschnittlich vergehen nur einige zehntausend Jahre, bis sich die expandierende Hülle des alten Sterns so weit zerstreut hat, dass die Strahlung des Weißen Zwergs nicht mehr ausreicht, um sie zum Leuchten anzuregen. In der Folge verblasst der Nebel zunehmend und wird schließlich unsichtbar (siehe SuW 8/2020, S. 64). Übrig bleibt der Weiße Zwerg, der über Milliarden Jahre hinweg langsam abkühlt und schließlich selbst erlischt. Auf Grund der kurzen Lebensspanne Planetarischer Nebel ist ihre Anzahl am Himmel – verglichen mit den Millionen Weißen Zwergen innerhalb unserer Galaxis – äußerst gering.

Vor einigen Jahren haben wir – der französische Amateurastronom Xavier Strottner und der deutsche Amateur astronom Marcel Drechsler – uns den Planetarischen Nebeln verschrieben. Seit 2018 arbeiten wir als Team zusammen, um bislang unbekannte Planetarische Nebel zu finden, zu fotografieren und zu analysieren. Schon zuvor hatten wir Kataloge angelegt, die jeweils mehr als 100 von uns entdeckte Kandidaten auflisten; viele dieser Funde wurden später durch spektroskopische Beobachtungen als Planetarische Nebel bestätigt. Hinzu kamen 20 weitere Kandidaten mit noch unbekannter Natur, die in Zusatzkatalogen aufgelistet sind, welche Objekte enthalten, die Planetarischen Nebeln ähneln.

Im Jahr 2019 beschlossen wir, noch enger zusammenzuarbeiten, um unsere Ressourcen und Analysen besser bündeln zu können. So entstand eine neue Objektliste, die unsere Initialen trägt: der Katalog StDr. Seither forschen wir noch akribischer in allen frei zugänglichen Quellen nach bislang unbekannten Planetarischen Nebeln und anderen kosmischen Phänomenen. Das gemeinsame Projekt kommt ohne öffentliche Forschungsgelder aus und finanziert sich vollständig aus privaten Mitteln sowie aus Spenden – wir forschen allein aus Leidenschaft, neben unserer beruflichen Tätigkeit.

Kooperationen weltweit

Bei unseren Recherchen sind wir so erfolgreich, dass der StDr-Katalog auf derzeit 138 Kandidaten und 31 weitere Objekte angewachsen ist. Die meisten davon konnten inzwischen durch Spektroskopie als echte Planetarische Nebel bestätigt und von Astrofotografen weltweit fotografiert werden. Auch internationale Kooperationen mit anderen Amateurastronomen sind nichts Ungewöhnliches. So gelangen gemeinsam mit dem US-amerikanischen Amateurastronomen Dana Patchick fünf außergewöhnliche Entdeckungen, die in dem von allen drei Autoren geschaffenen PaStDr-Katalog verzeichnet sind. Insgesamt waren wir in den zurückliegenden drei Jahren an mehr als 300 wissenschaftlich relevanten Funden beteiligt.

Eine enge Zusammenarbeit ist in der Astronomie unerlässlich und führt wesentlich häufiger zu großartigen, neuen Entdeckungen. Die Bündelung von Fähigkeiten und Fachwissen der verschiedensten Disziplinen erlaubt es, neue Kandidaten rasch zu identifizieren, zu analysieren und schließlich zu registrieren. Deshalb etablierten wir binnen kurzer Zeit ein internationales Netzwerk an hervorragenden Astrofotografen, spektroskopisch Beobachtenden sowie professionell Forschenden, so dass es nun möglich ist, in nahezu jeder Region des Nachthimmels auf ein StDr-Objekt zu stoßen.

Wie Nadeln im Heuhaufen

Einen neuen, bislang unbekannten Planetarischen Nebel zu entdecken, beruht natürlich immer auf einem gewissen Maß an Glück, denn der Nachthimmel ist bekanntlich riesig, und die potenziellen Entdeckungen sind häufig winzig. Die Mondscheibe nimmt am Himmel einen Raumwinkel von 0,2 Quadratgrad ein, was rund 1/210 000 des Himmels entspricht. Ein typischer Planetarischer Nebel – und damit ein durchschnittlicher neuer Kandidat für unseren Katalog – hat einen Durchmesser von nur wenigen Bogensekunden; doch der gesamte Nachthimmel weist eine Fläche von mehr als 500 Milliarden Quadratbogensekunden auf. Die Jagd nach neuen Planetarischen Nebeln gleicht somit der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen (siehe »Blaues Juwel auf rotem Samt«).

Natürlich ist es unmöglich, diese kosmischen Weiten mit bloßem Auge zu durchstreifen, um irgendwann zufällig auf ein unbekanntes Objekt zu stoßen.

Die Nummer 1 des neuen Katalogs

»Cocos Nebel« lautet der Eigenname von StDr 1 im Sternbild Stier. Namensgeber war in diesem Fall die Ehefrau von Xavier Strottner, Coco. Der mehr als 9000 Lichtjahre entfernte Nebel war die erste Entdeckung des deutsch-französischen Teams. Er ist ein außergewöhnlich heller Vertreter seiner Klasse und daher für Astrofotografen äußerst interessant. Erstmals fotografiert wurde der Nebel Anfang 2020 vom britischen Amateurastronomen Peter Goodhew. Die hier gezeigte Aufnahme gelang Rochus Hess von der Vega-Sternwarte in Salzburg. Sie enthüllt zuvor unsichtbare Details, beispielsweise eine ringförmige Struktur, die im Licht der H-Alpha-Linie des Wasserstoffs leuchtet.

Wir gehen deshalb systematisch vor und konzentrieren uns auf definierte Marker, beispielsweise Auffälligkeiten auf den Fotos aus Himmelsdurchmusterungen und von Amateurastronomen und bogenförmige Segmente, die sich einem möglichen Planetarischen Nebel zuordnen lassen.Weitere Marker sind die schon erwähnten Weißen Zwerge, die sich stets mehr oder weniger im Zentrum eines solchen Nebels befinden.

Wurde ein solcher Marker gefunden, dann werden alle zur Verfügung stehenden Quellen durchsucht, um mindestens einen weiteren Nachweis zu finden. Auf diese Weise schließen wir aus, dass es sich um ein mögliches Artefakt auf den genutzten Digitalfotos oder älteren Fotoplatten handelt. Weitere Quellen sind unter anderem die allen Interessierten frei zugänglichen Daten des UV-Weltraumteleskops GALEX, der Infrarotsatelliten WISE, 2MASS, und Spitzer sowie Himmelsdurchmusterungen im sichtbaren und nahinfraroten Wellenlängenbereich wie Pan-STARRS, DECaPS, DSS, SHS und IPHAS.

Für die Analyse solcher Daten hat das Team spezielle Arten der Bildbearbeitung sowie Filter zur Verbesserung des Kontrasts entwickelt, die es erst möglich machen, feinste Strukturen aufzuspüren. Aber trotz langjähriger Erfahrung und bewährter Techniken sind oft 10, 20 oder noch mehr Stunden intensiver Suche nötig, um einen einzigen bislang unbekannten Kandidaten zu finden.

Ein unbekannter Nebel: Was nun?

Mit der Entdeckung eines neuen Kandidaten beginnt die eigentliche Mühe erst. In besonders interessanten Fällen arbeiten wir mit dem Amateurastronomen Dana Patchick zusammen; doch auch professionell Forschende unterstützen das Team neben ihrer hauptberuflichen, wissenschaftlichen Tätigkeit. Nur Kooperationen wie diese ermöglichen es, besondere Kandidaten als wahrschein liche, neue Planetarische Nebel zu kategorisieren.

Solche leuchtenden Gaswolken weisen stets besondere chemische und physikalische Charakteristika auf, die sie von anderen kosmischen Objekten unterscheiden. Diese speziellen Eigenschaften müssen nun dem potenziellen Kandidaten zugeordnet werden. Dazu werden verschiedene Bereiche des elektromagnetischen Spektrums überprüft, um auszuschließen, dass es sich um ein Objekt anderer Natur handelt, etwa um einen Supernova-Überrest, kosmischen Staub, eine schalenförmige Struktur in der Umgebung einer Nova oder um den leuchtenden Wasserstoffnebel einer Sternentstehungsregion.

Blaues Juwel auf rotem Samt

Der durch spektroskopische Beobachtungen offiziell bestätigte Planetarische Nebel StDr 13 befindet sich im Sternbild Einhorn, unweit des berühmten Rosettennebels, und erscheint am Himmel rund zehn Bogenminuten groß. Der Nebel fällt als blaues, zylindrisches Objekt in der Mitte des Bildes auf und ist in die Filamente eines Supernova-Überrests, den Monoceros Loop, eingebettet.

Alle Daten werden geprüft, bewertet, analysiert und durch weitere Informationen ergänzt. Hierfür nutzt das Team unter anderem die Archive der Weltraumobservatorien Gaia (siehe SuW 1/2021, S. 28) und TESS (siehe SuW 6/2018, S. 13) sowie wissenschaftliche Veröffentlichungen. Besonders der Zentralstern des Nebels, der Weiße Zwerg, wird intensiv analysiert und auf dessen Eignung überprüft, einen solchen Nebel hervorbringen zu können. Wesentliche Kennzahlen sind hierbei die Entfernung des Sterns, sein Spektraltyp, seine Eigenbewegung, Oberflächentemperatur und Masse sowie die Intensität der UV-Strahlung.

Kosmischer Strichcode

Spektroskopische Beobachtungen bestätigten das Objekt StDr 1 als Planetarischen Nebel. Das aus dem aufgenommenen Spektrum (oben) gewonnene Diagramm (unten) lässt die typischen Emissionslinien einer Nebelhülle sowie eine Linie der Erdatmosphäre (Airglow) erkennen.

Das wichtigste Verfahren zum Nachweis eines echten Planetarischen Nebels besteht jedoch in der Gewinnung eines Spektrums. Nur so lässt sich zweifelsfrei ermitteln, ob es sich bei einem Kandidaten um eine Neuentdeckung oder um einen so genannten Mimik handelt: eine Struktur, die zwar optisch einem echten Planetarischen Nebel sehr ähnelt, in Wirklichkeit jedoch anderen Ursprungs ist. Bei der Spektroskopie wird das Licht des Kandidaten durch einen feinen Spalt auf ein Diffraktionsgitter – auch Blaze-Gitter genannt – zum Sensor einer empfindlichen Schwarzweißkamera geleitet. Solche Diffraktionsgitter fungieren in der Spektroskopie als winzige Prismen, die das Licht in seine unterschiedlichen Farben zerlegen (siehe SuW 4/2018, S. 64).

Das Ergebnis ist ein Spektrum, in dem sich verschiedene Elemente in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Lichtquelle durch Linien verraten – oder gänzlich fehlen. Ein Spektrum lässt sich mittels einer Software in ein Diagramm umwandeln, das die Linien als Spitzen darstellt (siehe »Kosmischer Strichcode«). Auf diese Weise verraten sich auch Planetarische Nebel anhand ihres chemischen Fingerabdrucks. Typische Signaturen sind Emissionslinien von Wasserstoff (H), Helium (He) und schwereren Elementen wie Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Neon (Ne), Argon (Ar) und Schwefel (S).

Die Erstellung, Bearbeitung und Interpretation eines Spektrums erfordern viel Erfahrung, ein spezielles Equipment und eine Menge Geduld. Mögliche Kandidaten sind nämlich oftmals derart lichtschwach, dass es langer Belichtungszeiten und sehr dunkler Nächte bedarf, bis sich das Signal des Objekts vom Hintergrundrauschen abhebt und die Spektrallinien chemischer Elemente nachweisbar sind.

Auf Grund der schnell steigenden Zahl neu entdeckter Kandidaten und um das Interesse professioneller Astronomen an den Entdeckungen zu wecken, starteten Amateurastronomen bereits im Jahr 2015 ein spektroskopisches Beobachtungsprogramm, das 2017 zur Gründung der Gruppe Planetary Nebulae Spectrum Trackers (PNST) führte. Die beiden ambitioniertesten spektroskopisch Beobachtenden auf dem Gebiet der Planetarischen Nebel sind in Europa die beiden Franzosen Pascal Le Dû und Lionel Mulato. In ihren privaten Sternwarten in den Regionen Okzitanien beziehungsweise Bretagne können sie schwächste Signale nachweisen.

Registrierte Nebel und nebulöse Fälle

Der letzte und wichtigste Schritt hin zu einem neuen Eintrag im Strottner-Drechsler-Katalog besteht in der Analyse, Bewertung und Registrierung durch das Team rund um Pascal Le Dû. Dazu werden alle Daten und Fotos eines Kandidaten in einem Bericht zusammengefasst und nach Frankreich gesandt. Nach erfolgreicher Prüfung erhält das Objekt die obligatorische PN-G-Nummer (kurz für »galaktischer Planetarischer Nebel«) sowie eine Registriernummer für den StDr-Katalog.

Anschließend wird der Kandidat in die offiziellen Datenbanken des Straßburger Observatoriums (SIMBAD) und des Australian Astronomical Observatory (AAO) eingetragen. Des Weiteren erfolgt ein Eintrag in die Datenbank der Universität Hongkong: HASH (Hong Kong/AAO/Strasbourg H-alpha planetary nebula database) ist ein interaktiver Katalog galaktischer Planetarischer Nebel, der allen Forschenden und der interessierten Öffentlichkeit zur Verfügung steht.

Trotz vieler gesammelter Daten und erstellter Analysen bleiben einige Fragen zu bestimmten Objekten unbeantwortet (siehe »Ein Feuerkelch im Dreieck«): Wie sieht der Kandidat aus? Gibt es feine Strukturen, die den Himmelsdurchmusterungen verborgen blieben? Wie sind die Gase innerhalb der Struktur verteilt? All diese Fragen kann nur ein Foto mit einer sehr langen Belichtungszeit beantworten. Und genau hierin liegt eine Schwierigkeit, denn die meisten hellen Planetarischen Nebel wurden ja längst gefunden.

Ein Großteil der neu entdeckten Objekte ist derart lichtschwach, dass viele dutzend Stunden an Belichtungszeit nötig sind, um ihre lichtschwachen Strukturen sichtbar werden zu lassen. Belichtungsdauern von bis zu 30, 50 oder gar 100 Stunden sind keine Seltenheit. Außerdem sind lichtstarke Optiken und ein sehr dunkler Standort vonnöten. Bereits das Licht des Mondes im ersten Viertel kann das schwache Signal des Kandidaten unsichtbar machen und damit die Aufnahme ruinieren.

Ein ambitionierter Astrofotograf geht immer ein gewisses Risiko ein, wenn er ein bislang unbekanntes Ziel fotografiert, denn trotz gewissenhafter Recherche und Analyse ist das Objekt zunächst nur ein Kandidat, und niemand verschwendet gern seine Zeit. Doch wir sind uns unserer Verantwortung bewusst, wenn wir einem Astrofotografen einen Kandidaten für eine Aufnahme empfehlen. Deshalb wählen wir für lange Belichtungen nur viel versprechende Ziele aus, die sich mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit als echte Planetarische Nebel erweisen werden.

Im vergangenen Jahr konnten wir einige der besten Astrofotografen für diese ambitionierten Projekte zu gewinnen. Zu den Mitwirkenden, die durch zahlreiche beeindruckende Aufnahmen Kandidaten des StDr-Katalogs am nördlichen Himmel verifizieren konnten, gehören die Amateurastronomen Andreas Zirke und Andreas Bringmann aus Deutschland, Markus Blauensteiner, Robert Pölzl und Rochus Hess aus Österreich sowie Peter Goodhew aus Großbritannien.

Ein Feuerkelch im Dreieck

Dieses bizarre, auch als Feuerkelchnebel bezeichnete Objekt ist ein möglicher Planetarischer Nebel. Sein sehr seltenes Erscheinungsbild ist jedoch rätselhaft, da es auch die Eigenschaften eines Supernova- Überrests aufweist. StDr 56 befindet sich im Sternbild Dreieck und hat am Himmel die Größe des Vollmonds. Sollte dieser Kandidat spektroskopisch als Planetarischer Nebel bestätigt werden, dann wäre er das erste Objekt dieser Art, das jemals in diesem Sternbild entdeckt wurde.

Die Suche geht weiter

Längst konzentriert sich die Suche nicht mehr allein auf die nördliche Hemisphäre – denn ebenso viele Entdeckungen sind auch von der Südhalbkugel aus möglich. Um diese Kandidaten ebenfalls fotografieren zu können, buchen wir regelmäßig Beobachtungszeit an ferngesteuerten Teleskopen in Chile, Namibia und Australien. Die Kosten hierfür werden privat oder durch Spenden finanziert.

Die hier geschilderte Forschungs arbeit verschlingt Unmengen an Zeit, ohne Gewissheit auf Erfolg; sie ist eine detailverliebte Leidenschaft, eine wahre Fleißarbeit. Wenn aber ein neuer Planetarischer Nebel gefunden wurde und am Schluss ein prächtiges Foto entsteht, ist das der Lohn aller Anstrengungen. Auch zukünftig werden wir Jagd auf unbekannte Schätze des Universums machen. Informationen zu allen aktuellen Kandidaten und verifizierten Objekten des StDr-Katalogs, einschließlich Positionsangaben, finden Sie unter http://planetarynebulae.net. Bleiben wir gespannt!

XAVIER STROTTNER, 1981 im Burgund geboren, ist seit seiner frühen Kindheit von der Astronomie begeistert.

Er verschlingt astronomische Literatur und befasst sich seit 2017 näher mit der Suche nach unbekannten Objekten. Seine ersten beiden Funde, die als mögliche Planetarische Nebel ausgewählt wurden, bildeten den Ausgangspunkt für ein Abenteuer, das noch immer andauert.

MARCEL DRECHSLER, geboren 1982, ist freiberuflicher Grafikdesigner im sächsischen Bärenstein. Seine Leidenschaft für die für Astronomie begann in der frühen Kindheit. Astrofotograf mit eigener Sternwarte ist er seit 2016. Er wurde in verschiedenen Bereichen der Astrofotografie vielfach ausgezeichnet und ist Koautor mehrerer wissenschaftlicher Publikationen.

Literaturhinweise

Bresseler, P., Schröder, K.-P.: Junge Planetarische Nebel im Schwan. Sterne und Weltraum 8/2020, S. 66 – 70

Heeren, P.: Echelle-Spektrografen: Präzison in Farbe. Sterne und Weltraum 4/2018, S. 64 – 72

Pöpsel, J., Binnewies, S.: Der Plane tarische Nebel »Minkowski’s Butterfly«. Ein »Pretty picture« und seine Folgen. Sterne und Weltraum 2/2006, S. 72 – 75

Pöpsel, J., Binnewies, S.: Kugelrundes Versteck spiel: Der Seifenblasennebel. Sterne und Weltraum 11/2009, S. 74 – 79

Quetz, A. M.: Neuer Nebel im Schwan. Sterne und Weltraum 9/2009, S. 12 – 13

Sackenheim, F.: Kosmische Nebel: Der Kontrast entscheidet! Sterne und Wel tr aum 9/2019, S. 63 – 69